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铸造起重机主梁结构综合优化方法研究

李俊杰  
【摘要】:随着人类社会发展和科学技术的进步,人类对能源和资源的过度开发与消耗,已成为制约人类经济社会发展的一大障碍,轻量化成为广泛关注的重点问题。就铸造起重机而言,其工作环境恶劣化、结构多样化、受力复杂化、重量巨大化等,导致以安全为保证的铸造起重机主梁结构优化设计难度提高。工程结构优化可以有效的减少材料的重量,降低制造成本,提高能源的利用率。设计初期,拓扑优化可为设计者提供一个概念性的模型,使整体布局最合理、最优化。本文通过先拓扑优化后尺寸优化的综合优化方法,使得优化的空间大大增加,突破了只有尺寸优化的局限性,提高了优化的效率。因此,本文以铸造起重机箱型主梁为研究对象,采用变密度拓扑优化方法,通过ANSYS大型通用有限元软件,对铸造起重机主梁腹板结构进行拓扑优化,根据概念性模型,对腹板结构进行重新设计,同时结合粒子群优化算法对主梁截面进行尺寸优化。本文论述的主要内容为:(1)进行结构优化理论知识的研究,介绍了工程结构优化的概念、分类,着重研究了拓扑优化的原理以及设计方法,采用基于SIMP插值模型的变密度拓扑优化方法,探讨铸造起重机主梁先拓扑优化、再尺寸优化的可行性。(2)采用许用应力法对铸造起重机金属结构进行初步设计,根据铸造起重机的结构参数,工作特点以及工作性质,进行载荷组合、3S(强度、刚度、稳定性)承载能力验证,同时采用ANSYS-APDL语言对铸造起重机主梁进行基于静力学仿真,验证初步设计合理性。(3)采用变密度法建立铸造起重机主梁的拓扑优化数学模型,即确定设计变量、目标函数、约束条件。借助ANSYS有限元分析软件对铸造起重机主梁腹板结构进行拓扑优化,得到拓扑优化后的概念性模型,通过概念性模型设计出新型主梁腹板结构,并验证其可行性。(4)以标准粒子群优化算法为基础,建立铸造起重机主梁截面尺寸优化的数学模型,对拓扑优化后的主梁截面进行了尺寸优化,经有限元分析和理论计算,优化过后的主梁满足设计要求,并且有效减轻了铸造起重机主梁结构的重量。


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