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原文传递大吨位铁路起重机梨形伸缩臂设计及其非线性问题研究

论文题名：	大吨位铁路起重机梨形伸缩臂设计及其非线性问题研究
关键词：	铁路起重机;梨形伸缩臂;结构设计;非线性问题
摘要：	伸缩臂是铁路起重机至关重要的组成部分，作业时载荷直接作用其上，因而对该部分的计算合理与否显得尤为重要。　　梨形截面伸缩臂代表了当前伸缩臂制造工艺的先进水平，同时，符合伸缩臂大吨位、大起重力矩的发展趋势，探究其设计计算方法、模拟其真实接触情况下伸缩臂与滑块上应力分布都具有现实意义。本文从企业级用户的角度出发，发挥C＃.NET界面友好、操作性强和MATLAB对复杂庞大数据计算能力强的特点，开发出了伸缩臂的统筹设计计算软件，该软件能高效地进行伸缩臂长度、危险工况筛选、危险工况下载荷计算和材料性能计算工作，操作非常简单、效率高。根据该软件的运行结果，在具有强大的非线性分析功能的有限元软件ABAQUS中建立梨形截面伸缩臂的实体模型，设置伸缩臂与滑块间的接触相互作用，为提高非线性模型收敛性，细化接触区域网格，同时，采用参考点与周围区域运动耦合进而设置参考点之间为铰接连接的方法，来模拟伸缩油缸与伸缩臂的铰接相互作用。为进一步促进接触非线性收敛，分步施加外部载荷。经过多次迭代计算，ABAQUS给出了梨形截面伸缩臂的接触有限元分析结果。结果显示:对于梨形截面伸缩臂:(1)下槽板底部与唇口滑块前端接触处应力最大;(2)上槽板的倾斜板与尾部滑块棱边接触处是易产生应力集中的区域。对于滑块:(1)在两种工况下，二节臂唇口滑块的应力分布规律是不一致的。危险工况1时，二节臂唇口滑块应力呈现“前(+Z)小后(-Z)大”的分布规律;危险工况2时，该滑块呈现相反的“前(+Z)大后(-Z)小”的应力分布规律;(2)基本臂唇口滑块的唇口端的尖角处、二节臂尾部滑块的尾部圆弧过渡区的棱边上是应力集中的区域。该区域的应力值突破了材料屈服极限，发生塑性变形，应研究滑块弹塑性接触下的应力分布规律。　　塑性问题是结构力学三大非线性问题之一，分析该类问题的关键在于合理设置材料的弹塑性本构模型。对于本文滑块局部小应变塑性问题，采用双线性应力-应变曲线描述滑块材料的拉伸试验应力、应变数据。采用各向同性强化法则描述材料进入塑性后随载荷变化的进一步反应，经过多次迭代计算，ABAQUS给出了滑块弹塑性接触下的滑块应力分布。滑块弹塑性接触有限元分析结果显示，塑性材料的强化作用大大降低了滑块塑性变形区域的应力，材料进入塑性状态后，应力增加变得缓慢起来。然而，对比材料弹性有限元分析结果，滑块塑性变形并未对伸缩臂应力分布造成过多影响，这一影响在一定条件下甚至是可以忽略的。同时，塑性区域分布显示:塑性变形区域较小，说明滑块依然可以正常工作，大大提高了材料的利用率。　　为使优化结果更具实用价值，本文模拟伸缩臂的真实工作情况，同时考虑滑块接触非线性和材料非线性对梨形截面伸缩臂进行轻量化设计。本文利用正交实验表选出的样本（设计变量的组合），具有“均匀分散、齐整可比性”的优点，该方法在最大限度地节约计算成本的同时也保证了结果的准确性。利用LM-BP神经网络超强的非线性拟合能力和通过ABAQUS补充后的样本，经过39次学习，LM-BP神经网络就达到了训练精度。使用GA方法在LM-BP神经网络构建出的非线性关系中寻优。为便于制造，对优化得到的设计变量（伸缩臂板厚组合）进行了圆整。将圆整结果输入ABAQUS软件后的验证结果显示:基于LM-BP网络和GA的梨形截面伸缩臂优化方法是成功的。
作者：	李辛
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：	2015
正文语种：	中文