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船载起重机臂架有限元分析及优化
| 论文题名： | 船载起重机臂架有限元分析及优化 |
| 关键词： | 船载起重机;臂架结构;截面尺寸;强度性能;刚度性能;优化设计 |
| 摘要： | 随着全球经济一体化不断发展和国家间的贸易往来日益频繁，船载起重机作为水上运输重要配套设备发挥着越来越重要的作用。船载起重机是一种在水上进行起重作业的特殊起重机，应用非常广泛，如船舶甲板上货物的装卸作业以及近年来海上大型项目（跨海大桥的建设、海上石油的开发等）顺利开展所需的吊装作业都要靠船载起重机来完成。目前船载起重机正朝着大起重量、低自重的趋势发展；臂架作为船载起重机核心部件，其重量大约占到整机的五分之一，并且它还直接承受吊重载荷及其它各种外载荷，所以其结构设计的优劣直接影响船载起重机的总体性能及重量。因此，为增强船载起重机械企业在市场上的竞争力，臂架设计过程中不仅要满足强度、刚度及稳定性等安全性能指标，还应尽量减轻臂架自身重量、降低生产制造成本和使用能耗。本文以25m/10t船载起重机臂架为研究对象，针对臂架安全性能和制造成本等问题，采用有限元仿真软件分析臂架的强度和刚度等性能，并在此基础上对臂架截面尺寸进行优化设计；其主要研究内容如下： 首先，阐明起重机工作原理，并通过传统解析法对臂架截面进行了强度计算校核，以此作为有限元分析的基础。 然后，提出臂架的简化方案，利用SolidWorks建立臂架模型，并采用ANSYS Workbench对该臂架模型进行有限元静力学、模态及屈曲稳定性等分析。通过有限元静力学分析臂架在不同仰角下结构的强度和刚度情况，分析发现臂架在水平工况下最危险，但此工况下臂架最大应力和最大位移仍然远远小于许用安全值，存在一定的优化空间；通过模态分析获得了该臂架模型的自振频率和振型图，并验证了该模型满足臂架对动刚度要求。通过屈曲分析得到屈曲载荷因子和振型图，可以确定臂架失稳时的临界应力值以及屈曲发生的位置，并验证了臂架在两种极端工况下能够满足稳定性要求。 最后以最优拉丁试验设计方法和响应面法结合和粒子群优化算法三者的结合，通过很少的计算量就获得一个满足臂架应力和变形要求以及有效降低臂架质量的一个新的臂架截面尺寸；最终的优化结果使臂架重量减轻了15.3％，可产生可观经济效益。 本文运用参数化建模、有限元仿真、试验设计、构建响应面近似模型以及粒子群智能优化算法的一整套流程可以为其它工程上结构的优化设计提供参考。 |
| 作者： | 张志生 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 凌智勇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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