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门式起重机金属结构分析及优化设计

范利格  
【摘要】:门式起重机是一种在露天物料搬运工作中广泛采用的大型装卸机械,被应用于航空工业、冶金、机械加工等诸多生产领域。而作为起重机“骨架"的金属结构,其重量占整机重量的60%~80%,对其进行优化设计可在保证性能的前提下有效降低材料成本,因此是起重机设计中一个非常有实用价值的环节。本课题结合河南省起重机产业的实际需求,针对国内门式起重机金属结构普遍存在质量偏重、成本较高、材料消耗较多的特点,提出以成熟商业软件为工具,以二次开发为手段,对起重机金属结构进行参数化有限元分析和结构优化的研究思路。该研究工作可以保证起重机的工作性能,促进整机轻量化,降低生产成本,提高起重机的设计质量和设计人员工作效率,因此具有重要的意义。 本文以吊钩门式起重机为研究对象,重点分析金属结构的组成及特点,获得了能满足实际工作要求的结构简化几何模型。以大型有限元分析软件ANSYS为工具,利用APDL命令流开发技术,在合理选择单元类型、单元接触形式、载荷类型及边界条件的基础上,建立了金属结构的参数化有限元分析模型。然后,结合金属结构承受的载荷及工况,对其进行静力分析和动态分析(包括模态分析和瞬态动力学分析)。通过静力分析获得结构的应力和变形量,以此为约束条件,为结构的优化设计做准备。通过动态分析验证结构的动态性能,为结构的动态分析提供一定的理论基础。 在完成金属结构的有限元分析工作之后,以其体积作为目标函数,考虑应力和变形约束,结合起重机设计的基本原则,采用基于ANSYS与iSIGHT集成优化方法对门式起重机金属结构进行优化设计。采用灵敏度分析技术,选择对金属结构体积影响最大的部分结构参数作为设计变量,提高了计算效率。计算结果表明利用优化设计技术可以有效降低起重机金属结构的重量。 本论文所有数值算例均以型号为MG50/25t-30m的吊钩门式起重机为对象,该型起重机结构成熟,应用广泛,因此研究成果可以直接用于指导该类型起重机的设计与生产。


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