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履带起重机风电吊装系统设计与优化研究

作　者: 陈忠喜
导　师: 成凯
学　校: 吉林大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 风电履带起重机优化设计有限元屈曲分析接触分析
分类号: TH213.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

伴随着我国对风力发电领域的日益重视,一些大型的风力发电项目开始投资建设,在向全社会提供大量新能源的同时,也为风力发电相关产业带来商机。履带起重机行业,作为风电吊装领域的主要角色,从中获益匪浅。风电设备吊装过程的特点是起升高度高、起升载荷大,同时为避免吊物与臂架发生干涉碰撞,其对作业半径的要求也十分严格。针对这一特点,为更好的满足风电吊装作业要求,各厂家纷纷推出风电专用的机型,在原有履带起重机上加装风电吊装系统是各厂家的主要手段。履带起重机风电吊装系统是以其原有臂架组合形式为设计原型,根据风机的吊装要求对部分结构重新改良设计,本文以固定副臂臂架组合形式为基础进行设计。此种结构由主臂臂头、风电专用副臂、副臂支架和前后拉板等部件组成,在继承主臂工况高起重性能的同时可增加作业半径和作业高度。系统中主臂臂头为履带起重机原有结构,无需另行设计,所以本文主要以风电专用副臂及副臂支架为研究对象,对其进行设计研究。具体内容如下：1.针对履带起重机风电吊装系统的设计要求,结合QUY300履带起重机的自身结构形式,提出风电吊装系统的整体设计方案,并对其结构形式、钢丝绳卷绕系统和取物装置进行选型。2.以《GB/T3811-2008起重机设计规范》为设计标准,针对风电专用副臂和副臂支架的结构特点,对其进行结构设计。风电专用副臂和副臂支架是整个系统中的核心结构,其设计合理与否直接影响到整机性能的发挥。风电吊装系统在进行吊装作业时,其起升载荷作用方向与副臂臂架轴线夹角较小,导致专用副臂的受力形式以轴向受压为主,同时在前后拉板的影响下,副臂支架的受力形式同样以轴向受压为主。因此,本文将压弯构件稳定性作为结构整体设计时的主要研究因素；将弯曲强度作为结构局部设计的主要研究因素,同时也作为验证设计方案可行性的重要指标。3.以有限单元法为基础,应用ANSYS软件建立风电吊装系统有限元模型,并对整机组装模型进行静力学分析、对副臂与副臂支架进行屈曲分析、对局部结构进行接触分析。通过分析计算结果,明确风电吊装系统各组成构件的应变特征、应力大小和应力分布等情况,从系统刚度和强度方面验证设计方案的可行性。4.为提高产品的经济性,本文以系统重量为目标函数,选取系统中相关结构参数为设计变量,对其进行优化设计。此优化问题属于多变量非线性规划,求解此类问题的关键在于寻求合理的约束条件,过多的约束条件会导致可行域范围很小,不易查找优化点；过少的约束条件又会导致可行域过大,从而使寻找优化点的时间过长。本文选取系统中各部件的整体稳定性、单支稳定性和弯曲强度等作为性能约束,选取各设计变量的取值范围作为边界约束,采用MATLAB优化工具箱提供的遗传算法对其进行优化计算,得出最优结果。根据优化结果重新建立有限元模型并进行有限元计算,通过优化前后的结果对比,阐述系统整体的刚强度变化,进而说明优化后系统各部件材料的利用率得到了提高。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第1章绪论  12-18
  1.1 课题背景及意义  12-13
  1.2 国内外履带起重机发展浅析  13-16
    1.2.1 国外履带起重机发展概述  13-14
    1.2.2 国内履带起重机发展概述  14-16
  1.3 课题主要研究内容与思路  16-18
第2章风电吊装系统总体方案确定  18-28
  2.1 风电吊装系统结构介绍  18-20
    2.1.1 常用结构形式介绍  18-19
    2.1.2 结构组成  19-20
  2.2 设计参数确定  20
  2.3 专用副臂及副臂支架结构形式选取  20-23
  2.4 钢丝绳卷绕系统和取物装置选取及计算  23-26
    2.4.1 钢丝绳卷绕系统选取及计算  23-26
    2.4.2 取物装置形式选取  26
  2.5 本章小结  26-28
第3章风电吊装系统结构设计  28-38
  3.1 风电吊装系统载荷确定及力学分析  28-31
    3.1.1 载荷确定  28-29
    3.1.2 力学分析  29-31
  3.2 专用副臂的结构设计  31-34
  3.3 副臂支架的结构设计  34-36
  3.4 本章小结  36-38
第4章风电吊装系统有限元分析  38-58
  4.1 有限单元法及ANSYS简介  38-40
    4.1.1 有限单元法在结构力学上的应用  38-39
    4.1.2 基于ANSYS的结构分析方法  39-40
  4.2 建立有限元模型  40-43
    4.2.1 有限元单元类型选择  40-42
    4.2.2 关键位置简化  42-43
    4.2.3 有限元模型建立  43
  4.3 静力学分析计算  43-48
    4.3.1 施加约束及载荷  43-45
    4.3.2 系统整体计算结果云图  45-47
    4.3.3 计算结果分析  47-48
  4.4 副臂及副臂支架屈曲分析计算  48-53
    4.4.1 副臂臂架屈曲分析计算  48-51
    4.4.2 副臂支架屈曲分析计算  51-53
  4.5 风电吊装系统的接触分析  53-57
    4.5.1 副臂根部铰耳处的接触分析计算  53-55
    4.5.2 副臂顶部滑轮轴处的接触分析计算  55-57
  4.6 本章小结  57-58
第5章风电吊装系统优化  58-72
  5.1 优化设计方法简介  58-59
  5.2 建立数学模型  59-66
    5.2.1 确定设计参数  59-61
    5.2.2 确定目标函数  61-62
    5.2.3 确定约束函数  62-66
  5.3 风电吊装系统优化计算及结果分析  66-69
    5.3.1 MATLAB优化工具箱选用  66-68
    5.3.2 优化结果分析  68-69
  5.4 风电吊装系统优化后的有限元再分析  69-70
    5.4.1 专用副臂优化前后分析结果对比  69-70
    5.4.2 副臂支架及主臂臂头优化前后分析结果对比  70
  5.5 本章小结  70-72
第6章总结与展望  72-74
  6.1 总结  72
  6.2 展望  72-74
参考文献  74-78
作者简介及在学期间所取得的研究成果  78-79
致谢  79

履带起重机风电吊装系统设计与优化研究

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