基于竹子截面微观结构的铁路起重机伸缩臂仿生设计

摘要

铁路救援起重机的伸缩臂截面从最初的矩形，经过梯形、多边形、大圆角矩形的不断演变，目前基本达成共识:即椭圆形截面是最优的伸缩臂截面形式，这已经与竹子的茎杆外形非常相似。从宏观角度来看，伸缩臂截面外形的改进过程就是逐步模仿竹子茎秆圆柱形外观的过程。反过来，如果把竹子茎杆当作完美设计对象，这也解释了为什么传统的伸缩臂设计发展到椭圆截面后，就停滞不前——已达到比较完美的程度。于是，本文创新性地从微观层面出发,研究竹子茎杆中维管束的分布方式，进一步对伸缩臂截面做仿生设计，然后利用ANSYS Workbench作为有限元计算、优化工具，证明了该仿生思想的有效性，主要内容如下:
　　(1)通过相似性分析，确定了起重机伸缩臂与竹子具有一定的相似度，满足仿生设计的基本条件;然后，就竹子的力学特性、微观结构以及两者之间的关系做了详细的研究;提取出竹子微观结构的核心思想——分层，将其与伸缩臂具体情况结合，进行伸缩臂的仿生设计，产生了双层伸缩臂截面，内、外层形状相同（或者不同）的设计思路;最后，根据相应的判定依据，确定内、外均为八边形的双层仿生型伸缩臂为本文重点比较的基础，创新性地将竹子微观结构运用在伸缩臂截面设计上。
　　(2)在ANSYS Workbench的Geometry模块中，基于相同的工况对仿生型和传统型伸缩臂进行几何建模;然后，在Static Structural模块中，基于相同的网格划分参数、相同的载荷与约束、相同的求解条件对两种伸缩臂进行有限元分析;通过提取计算结果中相应的强度参数，发现仿生型伸缩臂在最大应力、最大应力附近区域的平均应力、伸缩臂非重叠部分整体应力指标上均明显优于传统型伸缩臂;通过提取计算结果中相应的刚度参数和局部稳定性参数，发现仿生型伸缩臂的性能仍然优于传统型伸缩臂;由此，证明了本文基于竹子微观结构的仿生思想对提高伸缩臂性能的有效性。
　　(3)基于ANSYS Workbench的Design Explorer模块，对仿生型伸缩臂进行了适当的优化。在伸缩臂内、外板厚的优化中，以内、外板厚为自变量，以最大应力附近区域的内、外板局部平均应力差最小作为优化目标，优化中采用中心组合设计方法建立优化样本点，完全二次多项式拟合法建立响应面，Screening方法进行优化迭代。通过对比优化前、后的平均应力差，证明:适当优化伸缩臂内、外板厚，能有效降低两者的应力差，使材料得到更充分的利用。在加劲肋厚度的优化中，分别以强度和局部稳定性为指标，设计了相应的有限元分析模型，其中令加劲肋厚度在5mm～20mm之间每隔1mm生成一个计算点，然后，统计分析伸缩臂强度和局部稳定性的变化趋势，其结果表明，加劲肋厚度对伸缩臂的局部稳定性影响不大，但伸缩臂强度随着加劲肋厚度单调递增。
　　(4)对加劲肋系统的布置做了初步探究。在关于加劲肋角度的探讨中，首先根据伸缩臂的实际工作情况以及整体稳定性因素，选定在腹板设置不同角度的加劲肋;然后，建立5组模型，其加劲肋走向与伸缩臂中心线分别成0度、30度、45度、60度、90度夹角。通过ANSYS Workbench的分析计算，发现加劲肋走向与伸缩臂中心线成0度的时候，伸缩臂整体稳定性最好;在关于加劲肋密度的探讨中，通过设置两组模型，分别为腹板上加劲肋均匀分布和加劲肋上疏下密的分布，计算后发现:加劲肋的分布密度对伸缩臂整体稳定性有很大的影响，后者明显优于前者（后者的屈曲放大倍数比前者提高45.95％）。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 铁路救援起重机及伸缩臂的发展概况

1．2．1 铁路救援起重机发展概况

1．2．2 伸缩臂发展概况

1．3 仿生学的发展概况及应用

1．3．1 结构仿生学研究概况

1．3．2 竹材及其仿生研究概况

1．4 有限元计算及优化技术

1．4．1 有限元分析及ANSYS Workbench简介

1．4．2 结构优化设计技术

1．5 论文主要内容及工程意义

第2章 伸缩臂的仿生设计

2．1 相似性分析

2．2 竹材的力学性能

2．3 竹子横截面的微观结构

2．4 竹子横截面微观结构的模拟

2．5 基于竹子的伸缩臂仿生设想

2．6 仿生截面形式的选择

2．7 本章小结

第3章 仿生型伸缩臂与传统型的性能对比

3．1 伸缩臂主要参数的设计

3．1．1 伸缩臂长度尺寸、三铰点位置

3．1．2 截面尺寸的设计

3．2 伸缩臂受力分析

3．3 伸缩臂有限元模型

3．4 伸缩臂的加载与约束

3．5 仿生型伸缩臂与传统型的性能对比分析

3．5．1 强度分析

3．5．2 刚度分析

3．5．3 局部稳定性分析

3．6 本章小结

第4章 仿生型伸缩臂的优化

4．1 ANSYS Workbench优化流程

4．2 仿生型伸缩臂的内、外臂板厚优化

4．2．1 优化模型的建立

4．2．2 样本设计

4．2．3 响应面设计

4．2．4 仿生型伸缩臂优化设计及结果

4．3 仿生型伸缩臂的加劲肋厚度优化

4．3．1 强度有限元模拟试验

4．3．2 局部稳定性有限元模拟试验

4．4 本章小结

第5章 仿生型伸缩臂加劲肋布置的初步探讨

5．1 加劲肋角度探讨

5．1．1 变角度加劲肋位置的初步选择

5．1．2 变角度加劲肋位置的最终确定

5．1．3 加劲肋角度的设定及结果分析

5．2 加劲肋分布密度探讨

5．2．1 模型设置

5．2．2 求解与分析

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文