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原文传递旋挖钻机回转平台的结构优化设计

论文题名：	旋挖钻机回转平台的结构优化设计
关键词：	旋挖钻机;回转平台;拓扑优化;结构设计
摘要：	旋挖钻机作为一种成孔作业的桩基础施工设备，在道路桥梁等基础设施建设中发挥着重要的作用。回转平台作为主要部件，不仅要具有足够的承载力，而且要有足够的重量抵抗作业过程中产生的大弯矩与大扭矩。所以，回转平台的体积及质量往往过大，这不仅增加了对系统驱动力及制动力的要求，而且也对整车稳定性、使用安全性、工作可靠性及生产成本产生了重要的影响。因此，本文对回转平台进行结构优化设计，寻求满足性能要求的较优结构。本文主要研究内容如下: 　　以旋挖钻机结构组成与工作流程为基础确定了加压钻进、提钻、起架、移位四种典型工况的危险位姿，并基于回转平台的受力路径建立钻桅总成、变幅机构等部件的受力分析数学模型，计算得出各工况下回转平台与摇臂、变幅油缸、调桅油缸铰接孔处的载荷，并结合配重、主卷扬、发动机系统的重力和主卷扬拉力作为仿真分析的载荷输入。　　对回转平台几何模型进行合理简化并基于壳单元建立有限元模型；后根据力学模型分析结果对回转平台设置约束、载荷及分析步后进行了危险位姿下各典型工况的静态力学性能分析及模态分析，并以此结果作为后续优化的性能参照。　　为保证回转平台性能的同时降低其质量，基于OptiStruct对其内外双纵梁进行了拓扑优化。基于折衷规划法构建多工况刚度最大、平均频率最大及质量最小的多目标函数，其中各工况的权重由层次分析法确定。拓扑结果显示各工况最大位移均有小幅度降低，即刚度性能有所提升，同时实现了设计空间减重6.35%。　　为进一步提升刚度且降低质量，使各零件拥有合理的板厚尺寸，以关键零件板厚为设计变量进行了多目标参数优化。先采用最优拉丁超立方进行实验设计对16个初始变量进行灵敏度分析，由分析结果中各因子对目标响应的贡献度图和主效应图，通过加权贡献度筛选出了7个优化变量；后以拟合精度为依据，建立了优化变量与目标函数的径向基函数神经网络近似模型，选用NSGA-Ⅱ算法进行参数优化获得Pareto最优解集；结合熵权法和层次分析法得到各设计目标的组合权重，计算各Pareto解的综合得分筛选出最佳方案；根据此方案与Isight推荐方案的设计变量的取值分别生成优化模型并进行仿真分析，结果显示基于组合权重筛选的最佳方案比Isight推荐的方案性能更优。最终方案与原模型相比，在各工况下最大位移降低了4%~10%，且实现了整体减重9.63%。　　综上，基于典型工况危险位姿对回转平台进行拓扑优化和参数优化，在结构性能提升的基础上，达到了一定的轻量化效果。这有利于整车稳定性、使用安全性和工作可靠性，且可以降低生产成本及回转驱动系统的设计复杂性。对于旋挖钻机回转平台的设计有一定的实际应用价值与指导意义。
作者：	李雪娇
专业：	机械工程
导师：	王继新
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023