本文關鍵詞：基于竹子截面微觀結(jié)構(gòu)的鐵路起重機伸縮臂仿生設計，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鐵路救援起重機的伸縮臂截面從最初的矩形,經(jīng)過梯形、多邊形、大圓角矩形的不斷演變,目前基本達成共識：即橢圓形截面是最優(yōu)的伸縮臂截面形式,這已經(jīng)與竹子的莖桿外形非常相似。從宏觀角度來看,伸縮臂截面外形的改進過程就是逐步模仿竹子莖稈圓柱形外觀的過程。反過來,如果把竹子莖桿當作完美設計對象,這也解釋了為什么傳統(tǒng)的伸縮臂設計發(fā)展到橢圓截面后,就停滯不前——已達到比較完美的程度。于是,本文創(chuàng)新性地從微觀層面出發(fā),研究竹子莖桿中維管束的分布方式,進一步對伸縮臂截面做仿生設計,然后利用ANSYS Workbench作為有限元計算、優(yōu)化工具,證明了該仿生思想的有效性,主要內(nèi)容如下：(1)通過相似性分析,確定了起重機伸縮臂與竹子具有一定的相似度,滿足仿生設計的基本條件；然后,就竹子的力學特性、微觀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的關系做了詳細的研究；提取出竹子微觀結(jié)構(gòu)的核心思想——分層,將其與伸縮臂具體情況結(jié)合,進行伸縮臂的仿生設計,產(chǎn)生了雙層伸縮臂截面,內(nèi)、外層形狀相同(或者不同)的設計思路；最后,根據(jù)相應的判定依據(jù),確定內(nèi)、外均為八邊形的雙層仿生型伸縮臂為本文重點比較的基礎,創(chuàng)新性地將竹子微觀結(jié)構(gòu)運用在伸縮臂截面設計上。(2)在ANSYS Workbench的Geometry模塊中,基于相同的工況對仿生型和傳統(tǒng)型伸縮臂進行幾何建模；然后,在Static Structural模塊中,基于相同的網(wǎng)格劃分參數(shù)、相同的載荷與約束、相同的求解條件對兩種伸縮臂進行有限元分析；通過提取計算結(jié)果中相應的強度參數(shù),發(fā)現(xiàn)仿生型伸縮臂在最大應力、最大應力附近區(qū)域的平均應力、伸縮臂非重疊部分整體應力指標上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)型伸縮臂；通過提取計算結(jié)果中相應的剛度參數(shù)和局部穩(wěn)定性參數(shù),發(fā)現(xiàn)仿生型伸縮臂的性能仍然優(yōu)于傳統(tǒng)型伸縮臂；由此,證明了本文基于竹子微觀結(jié)構(gòu)的仿生思想對提高伸縮臂性能的有效性。(3)基于ANSYS Workbench的Design Explorer模塊,對仿生型伸縮臂進行了適當?shù)膬?yōu)化。在伸縮臂內(nèi)、外板厚的優(yōu)化中,以內(nèi)、外板厚為自變量,以最大應力附近區(qū)域的內(nèi)、外板局部平均應力差最小作為優(yōu)化目標,優(yōu)化中采用中心組合設計方法建立優(yōu)化樣本點,完全二次多項式擬合法建立響應面,Screening方法進行優(yōu)化迭代。通過對比優(yōu)化前、后的平均應力差,證明：適當優(yōu)化伸縮臂內(nèi)、外板厚,能有效降低兩者的應力差,使材料得到更充分的利用。在加勁肋厚度的優(yōu)化中,分別以強度和局部穩(wěn)定性為指標,設計了相應的有限元分析模型,其中令加勁肋厚度在5mm～20mm之間每隔1mm生成一個計算點,然后,統(tǒng)計分析伸縮臂強度和局部穩(wěn)定性的變化趨勢,其結(jié)果表明,加勁肋厚度對伸縮臂的局部穩(wěn)定性影響不大,但伸縮臂強度隨著加勁肋厚度單調(diào)遞增。(4)對加勁肋系統(tǒng)的布置做了初步探究。在關于加勁肋角度的探討中,首先根據(jù)伸縮臂的實際工作情況以及整體穩(wěn)定性因素,選定在腹板設置不同角度的加勁肋；然后,建立5組模型,其加勁肋走向與伸縮臂中心線分別成0度、30度、45度、60度、90度夾角。通過ANSYS Workbench的分析計算,發(fā)現(xiàn)加勁肋走向與伸縮臂中心線成0度的時候,伸縮臂整體穩(wěn)定性最好；在關于加勁肋密度的探討中,通過設置兩組模型,分別為腹板上加勁肋均勻分布和加勁肋上疏下密的分布,計算后發(fā)現(xiàn)：加勁肋的分布密度對伸縮臂整體穩(wěn)定性有很大的影響,后者明顯優(yōu)于前者(后者的屈曲放大倍數(shù)比前者提高45.95%)。
【關鍵詞】：起重機伸縮臂 竹子微觀結(jié)構(gòu) 仿生設計 有限元分析 尺寸優(yōu)化
【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
• Abstract8-12
• 第1章 緒論12-19
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 鐵路救援起重機及伸縮臂的發(fā)展概況13-14
• 1.2.1 鐵路救援起重機發(fā)展概況13
• 1.2.2 伸縮臂發(fā)展概況13-14
• 1.3 仿生學的發(fā)展概況及應用14-16
• 1.3.1 結(jié)構(gòu)仿生學研究概況14-15
• 1.3.2 竹材及其仿生研究概況15-16
• 1.4 有限元計算及優(yōu)化技術(shù)16-17
• 1.4.1 有限元分析及ANSYS Workbench簡介16
• 1.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計技術(shù)16-17
• 1.5 論文主要內(nèi)容及工程意義17-19
• 第2章 伸縮臂的仿生設計19-27
• 2.1 相似性分析19-20
• 2.2 竹材的力學性能20-21
• 2.3 竹子橫截面的微觀結(jié)構(gòu)21-23
• 2.4 竹子橫截面微觀結(jié)構(gòu)的模擬23-24
• 2.5 基于竹子的伸縮臂仿生設想24-25
• 2.6 仿生截面形式的選擇25-26
• 2.7 本章小結(jié)26-27
• 第3章 仿生型伸縮臂與傳統(tǒng)型的性能對比27-47
• 3.1 伸縮臂主要參數(shù)的設計27-29
• 3.1.1 伸縮臂長度尺寸、三鉸點位置27-28
• 3.1.2 截面尺寸的設計28-29
• 3.2 伸縮臂受力分析29-30
• 3.3 伸縮臂有限元模型30-32
• 3.4 伸縮臂的加載與約束32-33
• 3.5 仿生型伸縮臂與傳統(tǒng)型的性能對比分析33-46
• 3.5.1 強度分析33-40
• 3.5.2 剛度分析40-41
• 3.5.3 局部穩(wěn)定性分析41-46
• 3.6 本章小結(jié)46-47
• 第4章 仿生型伸縮臂的優(yōu)化47-63
• 4.1 ANSYS Workbench優(yōu)化流程48-49
• 4.2 仿生型伸縮臂的內(nèi)、外臂板厚優(yōu)化49-58
• 4.2.1 優(yōu)化模型的建立49-51
• 4.2.2 樣本設計51-53
• 4.2.3 響應面設計53-55
• 4.2.4 仿生型伸縮臂優(yōu)化設計及結(jié)果55-58
• 4.3 仿生型伸縮臂的加勁肋厚度優(yōu)化58-62
• 4.3.1 強度有限元模擬試驗58-61
• 4.3.2 局部穩(wěn)定性有限元模擬試驗61-62
• 4.4 本章小結(jié)62-63
• 第5章 仿生型伸縮臂加勁肋布置的初步探討63-70
• 5.1 加勁肋角度探討64-68
• 5.1.1 變角度加勁肋位置的初步選擇64-65
• 5.1.2 變角度加勁肋位置的最終確定65-66
• 5.1.3 加勁肋角度的設定及結(jié)果分析66-68
• 5.2 加勁肋分布密度探討68-69
• 5.2.1 模型設置68
• 5.2.2 求解與分析68-69
• 5.3 本章小結(jié)69-70
• 結(jié)論70-72
• 致謝72-73
• 參考文獻73-76
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術(shù)論文76

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 岑海堂;陳五一;;小型翼結(jié)構(gòu)仿生設計與試驗分析[J];機械工程學報;2009年03期

2 鄧斌,王金諾;現(xiàn)代鐵路起重機臂架系統(tǒng)中的現(xiàn)代設計方法[J];機械;2001年04期

3 張鐵亮;丁運亮;;復合材料加筋壁板的結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化設計[J];南京航空航天大學學報;2010年01期

4 季學榮;丁曉紅;;板殼結(jié)構(gòu)加強筋優(yōu)化設計方法[J];機械強度;2012年05期

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 魏燦剛;仿竹結(jié)構(gòu)薄壁管的耐撞性設計和分析[D];吉林大學;2014年

  本文關鍵詞：基于竹子截面微觀結(jié)構(gòu)的鐵路起重機伸縮臂仿生設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：382254