【摘要】：三角形截面空間桁架被廣泛應(yīng)用在塔式起重機(jī)的吊臂中,這類由眾多桿件構(gòu)成的復(fù)雜梁桿系統(tǒng)的計(jì)算分析,通常依賴于大型有限元分析軟件,產(chǎn)生不菲的經(jīng)濟(jì)與時(shí)間成本。這將使新產(chǎn)品開發(fā)過程中,在結(jié)構(gòu)選型、方案比較、性能預(yù)估和決策初判等需要快速反應(yīng)的重要環(huán)節(jié)耗費(fèi)大量時(shí)間,帶來不利影響。本文將從格構(gòu)式構(gòu)件整體性能角度,對三角形截面空間桁架的結(jié)構(gòu)布置參數(shù)化,以研究其各項(xiàng)性能。這一工作可以大大縮短設(shè)計(jì)人員花在工程設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)驗(yàn)證中的時(shí)間。本文分別研究了三角形截面空間桁架結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭及穩(wěn)定性能,推導(dǎo)得到了該結(jié)構(gòu)的等效抗彎慣性矩、等效抗扭剛度公式,提出了該結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)臨界力的兩種計(jì)算方法。經(jīng)過充分的實(shí)例驗(yàn)證,證明本文公式及計(jì)算方法的精度,可以用于工程實(shí)踐中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、方案驗(yàn)證環(huán)節(jié)。對于三角形截面空間桁架結(jié)構(gòu)的抗彎性能,本文第二章中將其等效為一實(shí)腹梁,考察了其等效抗彎慣性矩。首先,本文針對其常見的4種布置型式,利用虛位移原理,分平面內(nèi)、平面外討論了其受端部橫向集中力下的側(cè)向位移;接著利用側(cè)向位移相同的等效原則,得到了三角形截面空間桁架結(jié)構(gòu)的等效抗彎慣性矩。對于三角形截面空間桁架結(jié)構(gòu)的抗扭性能,本文第三章中將其等效為一實(shí)腹圓軸,考察了其等效抗扭剛度。首先,同樣利用虛位移原理,考察了4種布置型式下三角形截面空間桁架結(jié)構(gòu)的端部扭轉(zhuǎn)角;接著利用扭轉(zhuǎn)角相同的等效原則,得到了其等效抗扭剛度。對于三角形截面空間桁架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,本文第四章中首先明確了在塔式起重機(jī)吊臂的應(yīng)用中,其整體失穩(wěn)取決于平面外失穩(wěn);接著研究了其失穩(wěn)臨界力的兩種計(jì)算方法。其一,在第二章中已經(jīng)推導(dǎo)得到平面外抗彎慣性矩的基礎(chǔ)上,利用傳統(tǒng)的歐拉臨界力以計(jì)算失穩(wěn)臨界力;其二,根據(jù)三角形截面空間桁架整體平面外側(cè)移與底面單片桁架側(cè)移的關(guān)系,得到了其整體平面外單位剪切角,之后利用考慮剪切效應(yīng)的梁單元的失穩(wěn)臨界力公式以計(jì)算失穩(wěn)臨界力。本文第五章作為前三章公式及計(jì)算方法的驗(yàn)證章節(jié),充分考慮了三角形截面空間桁架的幾何變量影響,進(jìn)行了一系列驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明,本文推導(dǎo)的等效抗彎慣性矩公式、等效抗扭剛度公式、失穩(wěn)臨界力的兩種計(jì)算方法均具有較高的精度,可以用于工程實(shí)踐;此外,本文等效抗彎慣性矩公式雖然只基于桁架受端部橫向集中力推導(dǎo)而來,卻同樣適用于桁架受橫向分布力、端部彎矩的情況。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH122
【圖文】：

變量設(shè)定方法。條件的處理。為了保證第二章中等效抗扭剛度公式與上述真實(shí)件一致，有限元模型的邊界條件與第三章中 3.2.1 小節(jié)邊界條件的端部扭轉(zhuǎn)角。理論上桁架端部任意點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角均相同，此處處理方法一樣，規(guī)定桁架端部形心點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)角即為桁架的端部的真實(shí)抗扭剛度。假設(shè)有限元模型中桁架的端部扭轉(zhuǎn)角為 ，剛度可以表示為分別就 a、b、c、d 四種桁架，進(jìn)行本文等效抗扭剛度公式的驗(yàn) 。a 型桁架 各變量在基準(zhǔn)參數(shù)下（，a 型桁架在受端部扭矩作用下的變形情況如圖 5-35 所示。

（a）側(cè)視圖 （b）俯視圖圖 5-40 a 型桁架平面外失穩(wěn)臨界狀態(tài)的變形從 ANSYS 后處理中可以利用*get 命令獲取相應(yīng)負(fù)載（本文中設(shè)置為總體桁架，即每個弦桿端點(diǎn) ）下的負(fù)載系數(shù)（loadfactor），該負(fù)載系數(shù)的數(shù)值即為桁架之失穩(wěn)臨界力 。同時(shí)計(jì)算相應(yīng)變量參數(shù)下由本文兩種計(jì)算方法得到的失穩(wěn)臨界力，并與 ANSYS 結(jié)果相比較。改變各變量參數(shù)，可得到一系列驗(yàn)證結(jié)果如表 5-2 所示（限于篇幅，每個變量僅列寫 4 組結(jié)果）。為了更加清晰地表示兩種計(jì)算方法的對比，本節(jié)采用列表而非圖示的方式，這是由于本文兩種計(jì)算方法精確度相差不大，若采用圖示，則曲線重疊不易分辨。表 5-2 a 型桁架兩種失穩(wěn)臨界力計(jì)算方法的實(shí)例驗(yàn)證ANSYS 失穩(wěn)臨界力基于等效抗彎慣性矩的基于單位剪切角的3 1.0 45 50 6.21060E+06 6.92231E+06 11.46% 6.35727E+06 2.36%

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2770921