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大吨位双回转铁路救援起重机三节伸缩臂截面优化研究
| 论文题名： | 大吨位双回转铁路救援起重机三节伸缩臂截面优化研究 |
| 关键词： | 铁路救援;起重机;三节伸缩臂;拓扑优化;截面尺寸设计 |
| 摘要： | 起重机如今向着大吨位和大起升高度的趋势发展，吊臂作为铁路救援起重机的主要受力构件，其设计合理与否，直接影响着整机的起重性能。 本文基于多软件对大吨位(160t)双回转铁路救援起重机三节伸缩臂进行优化研究，采用OptiStruct对伸缩臂截面进行拓扑优化概念设计，基于Workbench进行几何建模、有限元分析及尺寸优化。主要内容如下: (1)阐述了国内外铁路起重机的研究现状及发展趋势，对比介绍了几种常见的吊臂截面型式。根据起重机伸缩臂的工作要求，进行了伸缩臂的总体方案设计及其相关计算，为其优化研究提供依据。 (2)基于Solidworks建模、Hypermesh划分网格及OptiStruct拓扑优化，逐步分析优化得到三节伸缩臂的较理想的大圆角矩形截面。过程中采用启发式算法推导了最小柔度下的拓扑优化问题，以体积分数为约束，将最小柔度作为优化目标，以矩形截面为初始截面，取三节臂头部危险截面附近失稳半波段建立拓扑优化模型，基于SIMP方法逐步进行拓扑优化。研究表明:参数的合理设置是获得理想的拓扑结果的关键，体积分数取0.35、单元尺寸取25mm较理想;不同载荷作用于伸缩臂的主要承载位置不同，弯矩主要作用于伸缩臂的上下翼缘板，轴向力主要作用于伸缩臂四周环形区域上。拓扑优化得到的大圆角矩形截面，适合于大吨位铁路起重机伸缩臂，证明了将拓扑优化技术应用到起重机三节伸缩臂的截面优化概念设计是可行的，为起重机结构优化设计提供了新思路。 (3)采用大圆角矩形截面型式，对各节臂进行截面尺寸设计，计算三节伸缩臂在变幅平面及旋转平面内的载荷，基于Workbench进行几何建模及有限元分析，计算及校核各节臂的强度、刚度及整体稳定性，并对比分析了大圆角矩形截面与矩形截面在同等条件下的力学性能。研究表明:大圆角矩形截面的设计合理可行，其力学性能优于传统的矩形截面，各节臂所受应力有较大富余，伸缩臂结构可进一步优化。 (4)以三节伸缩臂各节臂上、下翼缘板及两侧腹板的板厚为设计变量，设置最大应力与总体最大变形的约束条件，将伸缩臂整体质量最轻作为优化目标，进行尺寸优化。优化过程中探讨了各节臂板厚对轻量化设计的影响以及对最大应力、最大变形的灵敏度。优化后的三节伸缩臂各板厚明显减小，结构满足设计要求，很好的实现了优化目标。 |
| 作者： | 温保乐 |
| 专业： | 机械设计及理论 |
| 导师： | 张仲鹏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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