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

【摘要】：鐵路救援起重機(jī)的伸縮臂截面從最初的矩形,經(jīng)過(guò)梯形、多邊形、大圓角矩形的不斷演變,目前基本達(dá)成共識(shí)：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(lái)看,伸縮臂截面外形的改進(jìn)過(guò)程就是逐步模仿竹子莖稈圓柱形外觀的過(guò)程。反過(guò)來(lái),如果把竹子莖桿當(dāng)作完美設(shè)計(jì)對(duì)象,這也解釋了為什么傳統(tǒng)的伸縮臂設(shè)計(jì)發(fā)展到橢圓截面后,就停滯不前——已達(dá)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(jìn)一步對(duì)伸縮臂截面做仿生設(shè)計(jì),然后利用ANSYS Workbench作為有限元計(jì)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(guò)相似性分析,確定了起重機(jī)伸縮臂與竹子具有一定的相似度,滿足仿生設(shè)計(jì)的基本條件；然后,就竹子的力學(xué)特性、微觀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的關(guān)系做了詳細(xì)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(jìn)行伸縮臂的仿生設(shè)計(jì),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(shè)計(jì)思路；最后,根據(jù)相應(yīng)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(diǎn)比較的基礎(chǔ),創(chuàng)新性地將竹子微觀結(jié)構(gòu)運(yùn)用在伸縮臂截面設(shè)計(jì)上。(2)在ANSYS Workbench的Geometry模塊中,基于相同的工況對(duì)仿生型和傳統(tǒng)型伸縮臂進(jìn)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(duì)兩種伸縮臂進(jìn)行有限元分析；通過(guò)提取計(jì)算結(jié)果中相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù),發(fā)現(xiàn)仿生型伸縮臂在最大應(yīng)力、最大應(yīng)力附近區(qū)域的平均應(yīng)力、伸縮臂非重疊部分整體應(yīng)力指標(biāo)上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)型伸縮臂；通過(guò)提取計(jì)算結(jié)果中相應(yīng)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(duì)提高伸縮臂性能的有效性。(3)基于ANSYS Workbench的Design Explorer模塊,對(duì)仿生型伸縮臂進(jìn)行了適當(dāng)?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(yīng)力附近區(qū)域的內(nèi)、外板局部平均應(yīng)力差最小作為優(yōu)化目標(biāo),優(yōu)化中采用中心組合設(shè)計(jì)方法建立優(yōu)化樣本點(diǎn),完全二次多項(xiàng)式擬合法建立響應(yīng)面,Screening方法進(jìn)行優(yōu)化迭代。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前、后的平均應(yīng)力差,證明：適當(dāng)優(yōu)化伸縮臂內(nèi)、外板厚,能有效降低兩者的應(yīng)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(qiáng)度和局部穩(wěn)定性為指標(biāo),設(shè)計(jì)了相應(yīng)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(gè)計(jì)算點(diǎn),然后,統(tǒng)計(jì)分析伸縮臂強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性的變化趨勢(shì),其結(jié)果表明,加勁肋厚度對(duì)伸縮臂的局部穩(wěn)定性影響不大,但伸縮臂強(qiáng)度隨著加勁肋厚度單調(diào)遞增。(4)對(duì)加勁肋系統(tǒng)的布置做了初步探究。在關(guān)于加勁肋角度的探討中,首先根據(jù)伸縮臂的實(shí)際工作情況以及整體穩(wěn)定性因素,選定在腹板設(shè)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(guò)ANSYS Workbench的分析計(jì)算,發(fā)現(xiàn)加勁肋走向與伸縮臂中心線成0度的時(shí)候,伸縮臂整體穩(wěn)定性最好；在關(guān)于加勁肋密度的探討中,通過(guò)設(shè)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(jì)算后發(fā)現(xiàn)：加勁肋的分布密度對(duì)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(guān)鍵詞】：起重機(jī)伸縮臂 竹子微觀結(jié)構(gòu) 仿生設(shè)計(jì) 有限元分析 尺寸優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：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(jī)及伸縮臂的發(fā)展概況13-14
• 1.2.1 鐵路救援起重機(jī)發(fā)展概況13
• 1.2.2 伸縮臂發(fā)展概況13-14
• 1.3 仿生學(xué)的發(fā)展概況及應(yīng)用14-16
• 1.3.1 結(jié)構(gòu)仿生學(xué)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(jì)算及優(yōu)化技術(shù)16-17
• 1.4.1 有限元分析及ANSYS Workbench簡(jiǎn)介16
• 1.4.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)19-27
• 2.1 相似性分析19-20
• 2.2 竹材的力學(xué)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(shè)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(duì)比27-47
• 3.1 伸縮臂主要參數(shù)的設(shè)計(jì)27-29
• 3.1.1 伸縮臂長(zhǎng)度尺寸、三鉸點(diǎn)位置27-28
• 3.1.2 截面尺寸的設(shè)計(jì)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(duì)比分析33-46
• 3.5.1 強(qiáng)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(shè)計(jì)51-53
• 4.2.3 響應(yīng)面設(shè)計(jì)53-55
• 4.2.4 仿生型伸縮臂優(yōu)化設(shè)計(jì)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(qiáng)度有限元模擬試驗(yàn)58-61
• 4.3.2 局部穩(wěn)定性有限元模擬試驗(yàn)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(shè)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(shè)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(xiàn)73-76
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文76

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

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中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

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

本文編號(hào)：382254