本文關鍵詞：大噸位鐵路起重機梨形伸縮臂設計及其非線性問題研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：伸縮臂是鐵路起重機至關重要的組成部分,作業(yè)時載荷直接作用其上,因而對該部分的計算合理與否顯得尤為重要。梨形截面伸縮臂代表了當前伸縮臂制造工藝的先進水平,同時,符合伸縮臂大噸位、大起重力矩的發(fā)展趨勢,探究其設計計算方法、模擬其真實接觸情況下伸縮臂與滑塊上應力分布都具有現實意義。本文從企業(yè)級用戶的角度出發(fā),發(fā)揮C#.NET界面友好、操作性強和MATLAB對復雜龐大數據計算能力強的特點,開發(fā)出了伸縮臂的統(tǒng)籌設計計算軟件,該軟件能高效地進行伸縮臂長度、危險工況篩選、危險工況下載荷計算和材料性能計算工作,操作非常簡單、效率高。根據該軟件的運行結果,在具有強大的非線性分析功能的有限元軟件ABAQUS中建立梨形截面伸縮臂的實體模型,設置伸縮臂與滑塊間的接觸相互作用,為提高非線性模型收斂性,細化接觸區(qū)域網格,同時,采用參考點與周圍區(qū)域運動耦合進而設置參考點之間為鉸接連接的方法,來模擬伸縮油缸與伸縮臂的鉸接相互作用。為進一步促進接觸非線性收斂,分步施加外部載荷。經過多次迭代計算,ABAQUS給出了梨形截面伸縮臂的接觸有限元分析結果。結果顯示：對于梨形截面伸縮臂：(1)下槽板底部與唇口滑塊前端接觸處應力最大；(2)上槽板的傾斜板與尾部滑塊棱邊接觸處是易產生應力集中的區(qū)域。對于滑塊：(1)在兩種工況下,二節(jié)臂唇口滑塊的應力分布規(guī)律是不一致的。危險工況1時,二節(jié)臂唇口滑塊應力呈現“前(+Z)小后(-Z)大”的分布規(guī)律：危險工況2時,該滑塊呈現相反的“前(+Z)大后(-Z)小”的應力分布規(guī)律；(2)基本臂唇口滑塊的唇口端的尖角處、二節(jié)臂尾部滑塊的尾部圓弧過渡區(qū)的棱邊上是應力集中的區(qū)域。該區(qū)域的應力值突破了材料屈服極限,發(fā)生塑性變形,應研究滑塊彈塑性接觸下的應力分布規(guī)律。塑性問題是結構力學三大非線性問題之一,分析該類問題的關鍵在于合理設置材料的彈塑性本構模型。對于本文滑塊局部小應變塑性問題,采用雙線性應力-應變曲線描述滑塊材料的拉伸試驗應力、應變數據。采用各向同性強化法則描述材料進入塑性后隨載荷變化的進一步反應,經過多次迭代計算,ABAQUS給出了滑塊彈塑性接觸下的滑塊應力分布。滑塊彈塑性接觸有限元分析結果顯示,塑性材料的強化作用大大降低了滑塊塑性變形區(qū)域的應力,材料進入塑性狀態(tài)后,應力增加變得緩慢起來。然而,對比材料彈性有限元分析結果,滑塊塑性變形并未對伸縮臂應力分布造成過多影響,這一影響在一定條件下甚至是可以忽略的。同時,塑性區(qū)域分布顯示：塑性變形區(qū)域較小,說明滑塊依然可以正常工作,大大提高了材料的利用率。為使優(yōu)化結果更具實用價值,本文模擬伸縮臂的真實工作情況,同時考慮滑塊接觸非線性和材料非線性對梨形截面伸縮臂進行輕量化設計。本文利用正交實驗表選出的樣本(設計變量的組合),具有“均勻分散、齊整可比性”的優(yōu)點,該方法在最大限度地節(jié)約計算成本的同時也保證了結果的準確性。利用LM-BP神經網絡超強的非線性擬合能力和通過ABAQUS補充后的樣本,經過39次學習,LM-BP神經網絡就達到了訓練精度。使用GA方法在LM-BP神經網絡構建出的非線性關系中尋優(yōu)。為便于制造,對優(yōu)化得到的設計變量(伸縮臂板厚組合)進行了圓整。將圓整結果輸入ABAQUS軟件后的驗證結果顯示：基于LM-BP網絡和GA的梨形截面伸縮臂優(yōu)化方法是成功的。
【關鍵詞】：鐵路起重機 梨形截面 伸縮臂 接觸非線性 彈塑性 LM-BP神經網絡 遺傳算法
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH218
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-13
• 第1章 緒論13-21
• 1.1 課題研究背景及意義13-17
• 1.1.1 中國鐵路運輸發(fā)展概況13-14
• 1.1.2 鐵路救援起重機發(fā)展概述14-16
• 1.1.3 伸縮臂研究現狀16-17
• 1.2 伸縮臂的截面型式17-18
• 1.3 伸縮臂中存在的非線性問題18-19
• 1.3.1 接觸非線性問題18-19
• 1.3.2 材料非線性問題19
• 1.4 本文主要研究內容19-21
• 第2章 梨形截面伸縮臂方案設計及相關計算21-38
• 2.1 梨形截面尺寸設計21-22
• 2.2 伸縮臂長度設計22-24
• 2.3 伸縮臂計算工況的確定24-25
• 2.4 伸縮臂載荷計算25-27
• 2.4.1 危險工況1下載荷計算26-27
• 2.4.2 危險工況2下載荷計算27
• 2.5 材料選用與計算27-29
• 2.5.1 伸縮臂材料選用與計算27-28
• 2.5.2 滑塊材料選用與計算28-29
• 2.6 基于C#.NET與MATLABe笊靱.臂統(tǒng)籌設計計算軟件29-37
• 2.6.1 C#.NET 與 MATLAB 的特點29
• 2.6.2 伸縮臂統(tǒng)籌設計計算軟件開發(fā)29-37
• 2.7 本章小結37-38
• 第3章 基于ABAQUS的梨形截面伸縮臂滑塊接觸分析38-55
• 3.1 接觸問題的有限元方法概述38-41
• 3.1.1 非線性問題的數值求解方法38-39
• 3.1.2 接觸面的邊界條件39-41
• 3.1.3 接觸問題的罰函數法41
• 3.2 基于ABAQUS的梨形截面伸縮臂接觸分析41-46
• 3.2.1 梨形截面伸縮臂實體建模與材料屬性定義42-43
• 3.2.2 接觸相互作用及約束施加43-44
• 3.2.3 伸縮臂網格劃分與載荷分步施加44-46
• 3.3 有限元分析結果46-54
• 3.3.1 伸縮臂有限元分析結果46-52
• 3.3.2 伸縮油缸推力時間歷程52
• 3.3.3 滑塊有限元分析結果52-54
• 3.4 本章小結54-55
• 第4章 梨形截面伸縮臂彈塑性接觸有限元分析55-74
• 4.1 塑性力學問題的求解方法55-63
• 4.1.1 滑塊材料的基本假設55
• 4.1.2 偏應力張量、球應力張量和偏應變張量55-57
• 4.1.3 Mises屈服準則與加載面57-61
• 4.1.4 增量應力-應變關系61
• 4.1.5 彈塑性模型61-63
• 4.2 ABAQUS求解彈塑性問題方法概述63
• 4.3 滑塊材料的彈塑性模型及其單元選取63-64
• 4.3.1 滑塊材料的彈塑性模型63-64
• 4.3.2 在彈塑性接觸分析時滑塊的單元選取64
• 4.4 基于ABAQUS的梨形截面伸縮臂彈塑性接觸有限元分析64-72
• 4.4.1 滑塊彈塑性接觸有限元分析結果64-69
• 4.4.2 滑塊塑性區(qū)域分布69-70
• 4.4.3 滑塊彈塑性變形結果70
• 4.4.4 梨形截面伸縮臂彈塑性接觸有限元分析結果70-72
• 4.5 本章小結72-74
• 第5章 考慮滑塊彈塑性接觸的梨形截面伸縮臂優(yōu)化設計74-84
• 5.1 優(yōu)化數學模型建立74-75
• 5.2 優(yōu)化方法設計75-78
• 5.2.1 正交實驗設計75-77
• 5.2.2 LM-BP神經網絡設計77-78
• 5.2.3 GA(遺傳算法)設計78
• 5.3 基于LM-BP神經網絡和遺傳算法的梨形截面伸縮臂優(yōu)化設計78-79
• 5.4 最優(yōu)個體圓整及其伸縮臂有限元分析79-83
• 5.4.1 伸縮臂強度校核80-81
• 5.4.2 滑塊強度校核81-82
• 5.4.3 伸縮臂剛度校核82-83
• 5.5 本章小結83-84
• 結論84-86
• 致謝86-87
• 參考文獻87-90
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文及科研成果90

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本文編號：296529