类椭圆截面伸缩臂接触非线性探析及结构轻量化技术研究

摘要

当前，铁路起重机已经成为保证铁路畅通不可或缺的重要装备，作为铁路起重机的主要承载构件，伸缩臂的设计合理与否，直接影响起重机的承载能力、整机实用性和安全可靠性。
　　 本文以1700t·m大吨位双回转铁路救援起重机为研究对象，探析了伸缩臂与滑块三维摩擦接触非线性机理，并对伸缩臂结构轻量化技术进行了研究。主要内容如下:
　　 (1)基于ANSYS Workbench协同仿真平台，完成了一种新型非对称类椭圆截面伸缩臂的参数化建模、有限元分析和基于响应面法的MOGA(多目标遗传算法)的轻量化设计。分析了常用的试验设计(DOE)方法、响应面的构建以及基于响应面法的优化算法，并深入研究了各输入与输出参数的相关性。研究表明:各节臂翼缘板厚对其应力影响很大，腹板高度和间距对伸缩臂整体应力影响最大。优化后的伸缩臂自重降低了21.09％，轻量化设计颇有成效，为今后大型工程机械结构优化设计提供了新的思路。
　　 (2)面对高度非线性的一种新型对称类椭圆截面伸缩臂优化模型，利用正交试验法获取样本，研究了基于7种不同训练算法下的BP神经网络对拟合效果的影响。与启发式算法相比，采用数值优化算法能获得更快的收敛速度和更高的网络精度，其中，Levenberg-Marquardt算法的优势更加突出。最后选取罚函数法处理约束条件以实现全局搜索，利用LM-BP网络、遗传算法对伸缩臂进行寻优，伸缩臂自重降低了17.92％，大大提高了设计时效性，为解决工程实际中高度复杂的非线性优化问题提供了参考。
　　 (3)指出了伸缩臂局部应力的传统解法之不足，概述了求解接触问题的数值方法。创造性地提出考虑伸缩油缸的支撑作用，并正确定义了油缸与伸缩臂之间的约束关系。借助专业非线性分析软件ABAQUS，成功建立了伸缩臂与滑块三维摩擦接触模型，真实地反映伸缩臂实际工作状态;探明了伸缩臂与滑块接触区域附近的应力响应情况。研究表明:伸缩油缸承受了大部分的轴向力，且存在较大转动;本文中滑块与伸缩臂典型接触区域相对摩擦滑动约10mm，释放接触面上的节点自由度更加符合实际。
　　 (4)对比分析了不同截面形式下伸缩臂与滑块接触处应力响应情况。研究发现:复杂的边界条件使伸缩臂与滑块接触处应力分布极度不均;在滑块边线或者尖角附近，应力集中现象严重，容易产生摩擦磨损，在滑块棱角处制造圆角可以提高其使用寿命，合适的滑块宽度有利于增强滑块承载能力，而增加滑块长度很难降低局部应力;与多边形截面伸缩臂相比，类椭圆截面伸缩臂滑块处应力分布更加均匀，有利于改善接触区域受力环境，提高伸缩臂的局部稳定性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及工程意义

1．2 有限元技术的发展

1．3 优化设计技术

1．3．1 传统优化方法

1．3．2 响应面法

1．3．3 人工神经网络

1．3．4 遗传算法

1．3．5 伸缩臂优化研究现状

1．4 接触非线性问题

1．4．1 非线性问题

1．4．2 接触问题的研究及进展

1．4．3 滑块接触问题研究现状

1．5 论文研究的主要内容

第2章 基于ANSYS Workbench的伸缩臂轻量化设计

2．1 ANSYS Workbench简介

2．2 非对称类椭圆截面

2．3 参数化几何模型

2．4 伸缩臂静力学分析

2．4．1 材料选择

2．4．2 网格划分

2．4．3 边界条件

2．4．4 载荷计算

2．4．5 结果求解及后处理

2．5 轻量化设计

2．5．1 优化数学模型

2．5．2 试验设计

2．5．3 响应面设计

2．5．4 参数相关性

2．5．5 优化处理

2．5．6 结果分析

2．6 本章小结

第3章 基于LM-BP网络与遗传算法的伸缩臂结构优化

3．1 伸缩臂有限元模型

3．1．1 对称类椭圆截面

3．1．2 有限元分析

3．2 BP神经网络理论

3．2．1 BP学习算法

3．2．2 BP算法的不足与改进

3．3 样本采集

3．3．1 正交试验法

3．3．2 正交表设计

3．3．3 样本归一化

3．4 基于MATLAB的BP神经网络设计

3．4．1 网络拓扑结构设计

3．4．2 标准BP算法

3．4．3 附加动量法

3．4．4 自适应学习速率法

3．4．5 RPROP

3．4．6 共轭梯度法

3．4．7 牛顿法与拟牛顿法

3．4．8 Levenberg-Marquardt法

3．4．9 网络测试

3．5 遗传算法的实现

3．5．1 参数编码与解码

3．5．2 种群规模及初始化

3．5．3 适应度函数设计

3．5．4 选择操作

3．5．5 交叉操作

3．5．6 变异操作

3．5．7 停止准则

3．6 基于LM-BP网络与遗传算法伸缩臂结构优化

3．6．1 优化数学模型

3．6．2 约束条件处理

3．6．3 优化结果分析

3．7 本章小结

第4章 类椭圆截面伸缩臂与滑块三维摩擦接触机理探析

4．1 伸缩臂滑块处局部应力传统解法

4．2 三维摩擦接触问题的数值解法

4．2．1 直接迭代法

4．2．2 数学规划法

4．2．3 接触约束法

4．3 利用ABAQUS求解非线性问题

4．3．1 载荷增量法与弧长法

4．3．2 平衡迭代

4．3．3 收敛性

4．4 类椭圆截面伸缩臂与滑块接触非线性问题关键技术研究

4．4．1 几何模型的建立及材料选择

4．4．2 分析步定义及接触作用设置

4．4．3 网格划分及载荷和约束施加

4．4．4 接触非线性求解

4．5 结果分析

4．6 本章小结

第5章 不同截面伸缩臂与滑块接触非线性对比研究

5．1 多边形截面伸缩臂与滑块接触非线性研究

5．1．1 研究对象

5．1．2 三维摩擦接触有限元模型

5．1．3 考虑接触非线性的伸缩臂强度刚度校核

5．2 结果分析

5．2．1 截面形式对伸缩臂整体应力的影响

5．2．2 截面形式对滑块应力分布的影响

5．2．3 截面形式对伸缩臂局部应力分布的影响

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及科研成果