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120吨龙门起重机结构分析及基于遗传算法的主梁结构优化

作　者: 夏铝
导　师: 陈世教
学　校: 重庆大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 龙门起重机有限元结构设计优化设计遗传算法
分类号: TH213.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

龙门起重机广泛应用于社会生产和生活中的各个领域。本文所研究的120t龙门起重机钢结构的重量占整机重量相当大的比重,在整个起重机设计中占有重要地位。其金属结构的设计的优劣及力学性能直接决定了起重机的工作能力和工作质量;因此,起重机钢结构的设计显得尤为重要,对起重机钢结构的设计的研究是很有现实意义的。本文首先研究了目前国内外龙门起重机的发展现状以及发展趋势,根据要求对龙门起重机的钢结构设计进行了较深入的理论研究。利用ANSYS软件进行仿真模拟,计算了它的强度、刚度、稳定性并且进行了模态分析。在此基础上,运用遗传算法对龙门起重机主梁钢结构建立优化数学模型进行优化,完成龙门起重机主梁截面尺寸的优化设计,对优化后结果进行分析处理,在ANSYS中重新建模和分析,把分析结果和优化前结果进行比较,并验证优化后结构的强度、刚度、稳定性及固有频率。在理论基础上与实际相结合,本文具体内容分为以下几个部分:①分析、研究龙门起重机工作机构以及主要钢结构的截面特点,建立有限元模型,对龙门起重机在六个最危险工况进行了有限元的静力学分析,按照《起重机设计规范》中的要求,验证其强度、刚度和稳定性。接着进行模态分析得出前十阶振型图。最后计算了起重机的稳定力矩和倾覆力矩,验证龙门起重机的抗倾覆稳定性。②根据龙门起重机的结构特点,对起重机主梁结构进行适当简化,以单根主梁的重量为目标函数,以主梁的高度、宽度及个桁架杆的截面参数为设计变量,以各杆件的强度和刚度为约束条件,来建立主梁的优化数学模型,运用遗传算法进行了优化计算。得到各个设计变量的最优值,达到了结构优化的目的。③将遗传算法优化分析得出的结果按照相关的型钢参数进行圆整,重新建立有限元模型,再次在ANSYS中进行仿真分析,对龙门起重机的强度、刚度、稳定性进行验证并与优化前的分析结果进行比较,优化后的整体重量比优化前的重量降低了11.4%。本文结合优化设计方法和有限元分析,对现行起重机机设计方法做了一定的改进和探索,为起重机的设计和优化提供了一定的辅助和参考作用。本文的最后提出了几点在将来有待继续研究的问题。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-12
  1.1 龙门起重机概述  8
  1.2 国内外发展现状  8-10
    1.2.1 国内起重机发展概况  8-9
    1.2.2 国外起重机发展概况  9-10
  1.3 课题研究背景和来源  10
  1.4 课题研究目的和意义  10-11
  1.5 课题研究内容和方法，创新点  11-12
2 龙门起重机的主要参数  12-19
  2.1 龙门起重机基本参数  12-13
  2.2 龙门起重机钢结构主要参数  13-17
  2.3 自重计算  17-18
  2.4 本章小结  18-19
3 龙门起重机的有限元分析  19-52
  3.1 引言  19
  3.2 有限元基本理论  19-20
    3.2.1 有限元法的基本思想  19
    3.2.2 有限元法的基本步骤  19-20
  3.3 ANSYS 软件简介  20-21
  3.4 有限元模型的建立  21-23
    3.4.1 模型的单元组成与基本假设  21
    3.4.2 模型的单元特性  21-22
    3.4.3 模型中坐标系的定义  22
    3.4.4 模型的边界约束条件  22-23
  3.5 静力学分析  23-36
    3.5.1 计算载荷分析  23-28
    3.5.3 强度和挠度分析  28
    3.5.4 有限元计算结果分析  28-36
  3.6 抗倾覆稳定性计算  36-47
  3.7 模态分析  47-51
  3.8 本章总结  51-52
4 龙门起重机主梁优化  52-68
  4.1 概述  52
  4.2 优化设计的基本理论  52-55
    4.2.1 优化数学模型的构成  52-54
    4.2.2 优化结果分析  54
    4.2.3 优化设计的步骤  54-55
  4.3 龙门起重机主梁优化数学模型的建立  55-60
    4.3.1 目标函数的确定  55-56
    4.3.2 设计变量的确定  56-57
    4.3.3 主梁优化的约束函数  57-60
  4.4 优化算法选择  60-62
    4.4.1 遗传算法的介绍  60
    4.4.2 遗传算法的特点及应用  60-61
    4.4.3 遗传算法的基本流程  61-62
  4.5 优化程序的设计  62-67
  4.6 本章小结  67-68
5 龙门起重机优化结果处理与再分析  68-82
  5.1 引言  68
  5.2 优化结果分析  68-81
    5.2.1 优化后有限元分析  69-77
    5.2.2 优化后抗倾覆稳定性分析  77
    5.2.3 优化后模态分析  77-81
  5.3 本章小结  81-82
6 研究总结与展望  82-83
致谢  83-84
参考文献  84-87
附录  87

120吨龙门起重机结构分析及基于遗传算法的主梁结构优化

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