【摘要】：考慮機構(gòu)彈性影響的運動彈性動力分析是目前機械動力學(xué)和工程力學(xué)領(lǐng)域的研究熱點,而具有柔性臂架的起重機械就是其中一種典型的重載柔性機械。具有柔性運動臂架的起重機械在運動過程中,受到較大的軸向和橫向載荷的共同作用,為保證其工作的安全可靠,對其進行準確的動力學(xué)分析是非常必要的。本文以幾何非線性有限元和柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)方法為基礎(chǔ),對計及二階效應(yīng)的運動柔性梁桿系統(tǒng)的彈性動力學(xué)分析方法進行研究和探討,對起重機械的典型運動工況進行動力學(xué)實例分析,為大柔度動臂式起重機結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計提供重要的理論依據(jù)。 本文基于有限元方法在梁桿結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用,放棄了傳統(tǒng)的插值理論及位移假定與形函數(shù)求取的方法,直接從考慮二階效應(yīng)的縱橫彎曲理論入手,推導(dǎo)柔性梁端部載荷與端部位移的關(guān)系,并將此關(guān)系表示成有限元形式的單元平衡方程,即二階理論條件下壓彎梁的精確有限元方程,進而得到二階理論條件下單元精確剛度陣。此方程嚴格按照二階理論而未作任何假設(shè)或省略。應(yīng)用精確有限元方法對梁桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和二階效應(yīng)中的多個經(jīng)典算例進行分析,并與解析解的結(jié)果進行比較,驗證了計及二階效應(yīng)的梁單元剛度在梁桿結(jié)構(gòu)幾何非線性分析中的有效性和精確性。 針對工程起重機結(jié)構(gòu)工作于彈性范圍內(nèi)的要求,本文應(yīng)用隨動坐標法把基于二階理論的小變形非線性梁桿有限元推廣到了大位移小變形狀態(tài)下的幾何非線性梁桿有限元,通過局部坐標系中相對較小的彈性變形梁平衡方程的高精度描述,結(jié)合整體坐標系與隨動坐標系間位移與變形的準確坐標轉(zhuǎn)換,實現(xiàn)幾何非線性大位移的表達,從而得出了大位移桿系結(jié)構(gòu)的高精度全量平衡方程和增量平衡方程,為大柔度起重機結(jié)構(gòu)幾何非線性分析奠定了基礎(chǔ)。 在起重機柔性臂架的動力學(xué)分析中,將隨動的局部坐標系內(nèi)描述變形、固定坐標系內(nèi)描述剛體運動及大位移的方法推廣應(yīng)用于運動柔性梁桿系統(tǒng),應(yīng)用柔性多體系統(tǒng)動力學(xué)分析方法,通過對柔性體運動狀態(tài)的準確描述,推導(dǎo)了梁桿單元在局部坐標系下的計及二階效應(yīng)的剛彈耦合運動方程。質(zhì)量等其他動力學(xué)特征矩陣直接與形函數(shù)相關(guān),剛度矩陣則使用高精度有限元方法確定。使用隨動坐標法,利用結(jié)點位移、速度和加速度在隨動坐標系與整體坐標系內(nèi)的相互關(guān)系,進一步得到了單元在整體坐標系下的運動方程。該方程包含了各種慣性耦合矩陣,全面考慮了柔性單元的剛體運動和彈性變形間的相互影響和相互耦合,并計入了二階效應(yīng)的影響。介紹了系統(tǒng)整體運動方程的組集,討論了運動方程的求解策略和程序組織,給出了程序流程圖并編制了相應(yīng)的有限元分析程序,對典型機構(gòu)進行了運動彈性動力學(xué)分析,證明了建模理論和所編程序的正確性。 起重機械的運動工況復(fù)雜多樣,分析實例中選取了具有典型意義的水平臂式塔式起重機的回轉(zhuǎn)制動工況和港口起重機臂架系統(tǒng)的變幅運動工況進行運動彈性動力學(xué)分析。計算結(jié)果表明,在考慮機構(gòu)柔性的二階效應(yīng)后,系統(tǒng)的位移和桿件內(nèi)力均有較大幅度增加,對重要的大柔度起重機結(jié)構(gòu)應(yīng)進行考慮二階效應(yīng)的運動彈性動力學(xué)分析。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TH21

【引證文獻】

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本文編號：2794751