管状带式输送机大跨度桁架的设计与优化

摘要

管状带式输送机向着远距离、大跨度方向发展，带式输送机在运输过程中，跨域河流、建筑物、铁路等障碍物的现象也越来越普遍，普通跨度的管状带式输送机就难以满足要求，往往需要大跨度的管状带式输送机，所以带式输送机大跨度支撑系统的研究也就非常必要。如何设计大跨度的钢桁架结构对于提高管状带式输送机的性能和减少制造成本有着至关重要的影响。
　　本文基于管状带式输送机向着长距离、大跨度方向发展的理念，参考了管状带式输送机的设计原理与大跨度桁架的设计方法，提出了管状带式输送机大跨度桁架的设计要点，建立了桁架的三维模型，对桁架的内力进行了推导，然后进行了有限元应力、模态以及谐响应分析，得到桁架各杆件内力分布规律，参考分析结果对桁架的危险截面进行了结构改进，改进后桁架受力有了明显改善，最后对桁架的主体部分进行了优化，优化后的桁架重量有所降低。具体内容如下:
　　通过查阅国内外相关文献资料，了解国内外钢桁架结构的主要建筑，分析大跨钢桁架结构形式及其特点，分析各结构体系的特点和优缺点，然后借鉴钢结构设计规范和方法总结大跨度桁架的设计方法。介绍了桁架的特点、外形、截面以及节点的构造和设计要求。
　　分析了管状带式输送机桁架梁所承受的各种形式的载荷，并对桁架梁载荷进行理论计算，采用了截面法对桁架内力计算公式进行了简化推导，得出了桁架内力的分布规律，然后对桁架梁进行强度、刚度校核。
　　建立了管状带式输送机桁架结构的三维模型，利用大型通用软件ANSYS进行模态分析，得到桁架1～6阶自振频率和振型，确定结构的振动特性，得到了桁架的变形情况，进行有限元的应力分析，得出桁架的等效应力云图以及位移云图，有限元分析结果与理论分析结果一致。针对桁架的危险截面进行了结构改进，改进后的桁架受力有了明显改进。
　　研究了桁架优化分析的相关方法。参考前人的优化方法，以ANSYSWorkbench分析的强度和刚度为基础，对桁架的危险段进行优化，由于桁架的最大应力出现在中间弦杆和腹杆处，所以对弦杆和腹杆进行优化，以其截面尺寸为设计变量，应力、重量为目标函数，进行响应面优化，最终得到出了最佳设计方案。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．1．1 课题的背景

1．1．2 课题的意义

1．2 大跨度钢结构桁架的国内外研究现状

1．2．1 桁架的研究现状

1．2．2 结构优化的发展

1．3 本文研究的内容

2 桁架梁结构设计及载荷分析

2．1 传统桁架结构形式

2．1．1 桁架的特点

2．1．2 桁架的外形

2．1．3 桁架的截面

2．1．4 节点构造及设计要求

2．2 管状带式输送机桁架结构设计

2．2．1 承重桁架、弦杆及腹杆的选型

2．2．2 桁架水平防风支撑

2．2．3 桁架支座

2．3 管状带式输送机机架结构的荷载分析

2．3．1 永久载荷

2．3．2 可变载荷

2．3．3 偶然载荷

2．4 管状带式输送机桁架结构内力简化计算

2．4．1 特殊节点

2．4．2 竖直方向内力简化计算

2．4．3 水平方向内力简化计算

2．5 管状带式输送机机架结构的校核

2．5．1 强度校核

2．5．2 刚度校核

2．6 本章小结

3 管状带式输送机桁架梁结构有限元分析

3．1 有限元分析的基本理论

3．2 ANSYS简介

3．2．1 ANSYS的分析功能

3．2．2 ANSYS Workbench的分析步骤

3．3 管状带式输送机桁架梁结构有限元分析

3．3．1 桁架模型建立及定义材料

3．3．2 网格划分

3．3．3 施加载荷

3．3．4 求解、查看分析结果

3．4 桁架梁结构的改进

3．4．1 改进桁架静力学结果

3．4．2 改进桁架模态结果

3．5 本章小结

4 管状带式输送机桁架梁结构优化设计

4．1 引言

4．2 ANSYS优化设计

4．2．1 ANSYS优化设计概念

4．2．2 ANSYS Workbench多目标优化

4．2．3 ANSYS优化设计步骤

4．3 桁架机构优化设计

4．3．1 优化设计模型的建立

4．3．1 响应面分析

4．3．2 参数敏感性分析

4．3．3 多目标优化

4．4 桁架优化结果

4．5 本章小结

5．总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

作者简介