（工程力学专业论文）C型翻车机结构及载荷分析.pdf

t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n dt h e l o a do fc - - t i p p e r at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y l i u c h e n g w e i ( e n g i n e e r i n gm e c h a n i c s ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h e n gc h a n g l i a n g m a y 2 0 11 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = = 型麴奎扭缝掏拯魏萄坌堑= = 。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：必 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保积请在以上方框内打“”) 敝储虢麟导师虢氧p 发良 日期：2 0 1 1 年5 月2 2 日 中文摘要 摘要 翻车机主要用于翻卸铁路敞车所装载的各种散状物料，是一种连续高效的卸 载设备，目前已广泛应用于国内外电厂、港口、钢铁、水泥、化工等部门。随着 时代的发展，各行业中煤炭运输量的不断增加，翻车机的工作负荷日益增大，另 外，钢结构在焊接过程中容易产生应力集中现象，会在产生应力集中的部位形成 裂纹，裂纹随时间的增长，导致主体结构失效，最终酿成重大事故。数据显示， 在实际使用中发生的断裂破坏，占翻车机故障总数的5 0 以上。对翻车机的应力 状态检测和分析，可以有效的避免类似事故的发生，同时还可以为翻车机的设计 提供重要的参考数据，具有重要的研究价值。 本文研究的主要内容是：以某集团设计制造的特定型号的c 型翻车机为研究 对象，采用现场动静态应变实测和理论分析相结合的方法，对翻车机的结构在实 际运行中载荷大小及特征进行定量的分析和研究，确定翻车机结构分析的载荷工 况和载荷组合；在此基础上，根据所研究对象的工作环境，利用现代计算机辅助 工程c a e 技术，建立了翻车机的三维分析的有限元模型以及相关的边界条件，利 用有限元软件i - d e a s 对c 型翻车机在的不同工况下进行了静态分析，得到了各 种工况下应力分布云图及变形图。与实际测量数据进行比较，验证计算结果的准 确性。在此基础上进行动态模拟分析和稳定性分析。本文工作对翻车机结构分析 的标准化是一个有价值的探索，其计算结果对翻车机的设计提供了有重要的参考。 关键词：翻车机；载荷分析；有限元分析；动静态测试；模型化 英文摘要 a b s t r a c t c a rd u m p e ri sa ne f f i c i e n ta n ds u c c e s s i v eu n l o a d i n gb u l km a t e r i a l e q u i p m e n t m a i n l yu s e dt ou n l o a dr a i l r o a dg o n d o l ac a l l o a d e ds p e c i a l n o w , i t sw i d e l yu s e di nt h e p o w e rp l a n t ，p o r tt e r m i n a l s ，s t e e lc e m e n ta n dc h e m i c a li n d u s t r ye n t e r p r i s e sa l lo v e rt h e w o r l d a st h ei n d u s t r yc o n t i n u e st oi n c r e a s et h ea m o u n to fc o a lt r a n s p o r t a t i o n ，w o r k l o a d o fc a rd u m p e ri sm o r eh e a v i n e s s ，e a s i l yt of i n ds t r e s sc o n c e n t r a t i o na tt h ew e l d e do f s t e e ls t r u c t u r e t h ec r a c k sw i l le m e r g ea ts t r e s sc o n c e n t r a t i o ns i t e s ，a n dg r o w t ho v e r t i m e ，i tw i l ll e a dt os t r u c t u r a ld a m a g ea n dg r a v ea c c i d e n t su l t i m a t e l y a c c o r d i n gt o s t a t i s t i c s ，t h ef a t i g u ef r a c t u r ed a m a g ei st h et o t a ln u m b e ro fm e c h a n i c a ld a m a g eo f5 0 t h ed e t e c t i o na n da n a l y s i sf o rt h et i p p l e ，c a ne f f e c t i v e l ya v o i dt h ea c c i d e n t a tt h es a m e t i m ei t sa ni m p o r t a n tc o u n t e r m e a s u r ef o rd e s i g n ，a n dh a si m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u e i nt h i sp a p e r ，ac e r t a i nt y p eo fc t i p p l eh a sb e e ns t u d i e d t h et h e s i sc o m p a r e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds t a t i ca n dd y n a m i cs t r a i nm e a s u r e d ，a n a l y z e dt h ev a l u e sa n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h el o a di nt h ec o u r s eo fa c t u a lo p e r a t i o n ，a n dd e t e r m i n e dt h el o a ds e t o ft h et i p p l e o nt h i sb a s i s ，w ee s t a b l i s h e dat h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t i p p e ra n da s s o c i a t e d 、) r i t hb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei - d e a s ， t h et h e s i sh a ds t a t i ca n a l y s i so ft h e c a rd u m p e ri nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，a n ds t r e s s d i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o np i c t u r e s c o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e m e n td a t at ov e r i f y t h ea c c u r a c yo ft h er e s u l t s a tl a s tt h et h e s i sa n a l y z e dt h ed y n a m i cm o d ea n db u c k l i n g t h er e s e a r c hr e s u l t sh a v ep r o v i d e dav a l u a b l er e f e r e n c et o t h es t a n d a r d i z a t i o no f s t r u c t u r a la n a l y s i so fc - t i p p l e k e yw o r d s ：c t i p p e r ；l o a da n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； s t a t i c d y n a m i ct e s t ； m o d e l i z a t i o n 目录 目录 弓i言1 第1 章绪论2 1 1 研究的目的和意义2 1 2 翻车机的分类及运行原理3 1 3 翻车机发展历史及国内应用情况3 1 3 1 国外翻车机发展历史3 1 2 2 国内翻车机应用情况4 1 4c a e 技术简介5 1 4 1c a e 软件的发展6 1 4 2c a e 技术的应用7 第2 章翻车机静动态应变的现场测试8 2 1 翻车机主体结构及部件8 2 2 实验方案设计9 第3 章相关理论及i - d e a s 软件介绍17 3 1 有限元法基本理论17 3 1 1 有限元法的基本原理一1 8 3 1 2 有限元法的分类一1 8 3 2 平板壳单元1 9 3 2 1 四结点矩形平板应力单元2 0 3 2 2 四结点矩形平板弯曲单元2 1 3 3i d e a s 软件功能介绍2 2 第4 章有限元模型的建立及载荷和边界条件的确定2 5 4 1 几何模型的建立2 5 4 1 1 转子翻车机的结构特征2 5 4 1 2 建立计算模型2 5 4 2 基本载荷的分类和计算方法2 7 4 2 1 主要载荷介绍2 8 4 2 2 物料安息角2 8 4 3 不同工况下的压车载荷和靠车载荷2 9 4 3 1 以夹紧机构为研究对象，进行受力分析2 9 4 3 2 以靠板为研究对象3 0 4 3 3 以平台为研究对象- 3 0 4 4 不同工况下载荷的计算- 3 0 第5 章计算结果分析3 4 5 1 计算数据结果3 4 5 2 结果分析4 7 5 3 分段试验结果与连续试验结果的对比4 9 第6 章模态分析与稳定性分析5 5 6 1 模态分析5 5 6 1 1 模态分析的意义一5 5 6 1 2 多自由度系统的振动公式5 5 6 1 3 模态分析结果5 9 6 2 稳定性分析6 1 - 结论6 5 参考文献6 6 致谢一6 9 c 型翻车机及载荷分析 己i言 丁i目 翻车机是一种高效连续的卸载设备，翻卸火车敞车所装载的煤炭、矿石等散装物 料。相比其他翻卸设备具有很大的优势，已经广泛的应用于我国的各行各业。翻车机按 照结构特点分类，可以分为c 型翻车机和0 型翻车机。在实际使用过程中，翻车机的结 构和工作条件都十分复杂，并且随着物料运输量不断的增加，翻车机的工作载荷也不断 增大，很容易产生裂纹和断裂现象，导致结构的实效。因此，需要检测和分析翻车机的 应力状态。同时，由于翻车机结构和载荷的复杂性，造成翻车机设计过程中的困难。本 文的规范化分析计算过程，能够对翻车机的设计和改造提供理论基础。本课题为大连海 事大学承担的某集团项目“翻车机系统有限元模拟修正及计算规范”内容的一部分。以 广泛使用的该集团c 型翻车机为研究对象，该型翻车机系统主要用于运煤火车车皮的卸 载，其载荷总重( 火车车皮及物料) 近9 0 吨。对该型翻车机的分析具有重要的参考价 值。 本论文主要研究目的是通过实验与计算相结合的手段确定翻车机工作时的应力状 态，检验结构的力学性能。研究过程中利用现代工程设计与工程分析c a e 技术，在认真 研究和查阅文献的基础上，根据研究对象的物理特性和力学性能，确定其物理系数、边 界条件，对翻车机主体结构进行有限元分析，结合实验数据校核结构的强度及稳定性。 并且与现场测量数据进行比较，验证计算结果的准确性。本文所得到的分析结果对本型 号翻车机的检验及后续设计提供参考依据。 本文在计算过程中引用以下标准： ( 1 ) f e m 一移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范 ( 2 ) i s 0 5 0 4 9 1 9 9 4 移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 翻车机系统是应用于电力、港口、冶金、煤炭、化工等行业的大型自动化卸车设 备1 1 ，其作业线以翻车机为主要设备，重车调车机、空车调车机、迁车台、夹轮器等设 备为辅的散装卸载机械。图1 1 中所表示的就是c 型翻车机。翻车机在实际使用过程中 在局部容易产生裂纹【2 】，严重影响了正常使用。因此对其进行分析和检测显得十分重要。 图1 1c 型翻车机示意图 f i g1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc t i p p l e 早期在煤炭运输过程中，主要采用底开车运输的办法，底开车的下部是漏斗，漏 斗的角度一般为5 0 - 7 0 0 。为了能顺利的将底开车中煤等散料，尤其较粘稠的散料卸出， 大部分时候采取将底开车漏斗角度加大的办法，但这就导致底开车容积的减小。随着各 港口运输效率的提高，底开车运输效率低的缺点越来越突出【3 1 。 c 型翻车机及载荷分析 而回转式翻车机的翻转角度通常能达到1 7 0 0 至1 8 0 。，可以方便迅速地将敞车内的 散料卸出，翻车机系统还拥有高效率、低造价、可实现自动化控制等优点。因此，目前 翻车机卸车系统越来越成为散料卸载的重要工具，广泛地应用在港口、钢厂及电厂等处。 1 2 翻车机的分类及运行原理 现代翻车机主要可以分为按照翻卸方式的不同可以分为转子式和侧倾式，其翻转 方式均是从敞车的一侧倾斜，但是转子式翻车机是将敞车定位于平台进行旋转，料斗位 于转子的下方【4 】；而侧倾式翻车机的翻转中心位于敞车的侧上方，在提升的过程中同时 进行旋转，这样使物料的卸载点高，料斗可以放在地面之上。但是转子式翻车机翻卸速 度快、运转功耗小，因此转子式翻车机应用更加广泛【5 】。 翻车机按照其每一次循环所翻卸的车厢数可分为单车翻车机、双车翻车机、三车 翻车机及多车翻车机【6 1 。各行业大多采用单车翻车机，其他类型的翻车机主要用于港口； 翻车机按照结构特点可分为。型翻车机和c 型翻车机，其中o 型翻车机在结构受力特 点上优于c 型翻车机。但重车调车机的大臂无法通过o 型翻车机的端环，调车环节被 迫分为将重车推入翻车机和将空车拖出翻车机两部分，分别通过重车调车机和拉车机实 现。而c 型翻车机的结构特点使其克服了这个问题，仅需要配备一个调车机即可。 c 型翻车机在工作时，重车调车机将已经解列的重车以一定的速度牵引至翻车机平 台上的确定位置，定位后离开翻车机，此时靠车机构的靠板( 位于后梁) 与敞车贴紧， 压车机构( 位于前梁和后梁) 压紧敞车侧板，将处于平台上敞车固定，电机及减速器装 置开始运行，利用小齿轮驱动翻车机端环齿条，使翻车机翻转到1 6 5 。左右，达到卸车 的目的后转子反转回到0 。靠车机构和压车机构离开敞车，重车调车机在牵入下一辆 敞车时将空车推出。 1 3 翻车机发展历史及国内应用情况n 1 1 3 1 国外翻车机发展历史 翻车机在国外的发展已经有近九十年历史，比我国早了半个世纪投入使用。由于 国外的研究历史悠久，设计经验丰富，开发及设计的手段先进，使其设备在整体性能上 优于我国。英国的斯达臣汉肖公司( s t r a c h a na n dh e n s h a w ) 的产品性能和销售 第1 章绪论 状况在世界上处于领先地位，并且斯达臣汉肖公司和世界另一著名的翻车机制造商美 国德拉夫公司( d r a v o w e l l m a n ) 整合后建立美卓( m e t s o ) 矿机，更加确定了其领先 地位。因此m e t s o 公司的翻车机发展史基本上代表了世界的翻车机发展史。m e t s o 公司的第一台简易翻车机移动式电动翻车机在1 9 1 5 年应用于南非智利勘探公司。 1 9 1 8 年投产于美国宾夕发尼亚p i t t s b u r g hc r v c i b l e 钢铁公司的翻车机已经具有现 代翻车机的雏形。根据资料，美国北加利福利亚c h a r l o t ed v k e 电力公司所使用的 转子式翻车机从1 9 2 8 年安装直至1 9 9 7 年仍然保持了良好的运行状态，其近七十年的使 用时间，可以说是翻车机的历史上一个奇迹。1 9 5 1 年诞生了第一台双车翻车机，为加拿 大魁北克m o n t r e a l 加拿大铁矿公司使用，至今己有五十多年历史。三车翻车机于 1 9 6 7 年，在美国芝加哥北部w e s t e r nr re s c a n a b a 密歇根投入使用，其翻卸效率为5 6 0 0 吨j 、时。至2 0 0 3 年，m e s t o 矿机共生产翻车机3 1 5 套，应用于世界各地【8 】。 c 型转子式翻车机是法国阿尔斯通( a r l s t o n ) 公司最先开发的产品，其端环为c 型，调车机可以通过端环。并且采用了液压压车和靠车，大幅度减少压车、靠车力，使 敞车损坏率降低，深受客户和铁路行业欢迎。 m e t s o 和克努伯公司等为了适应物料翻卸量的增大，设计并制造了双车翻车机和 三车翻车机。双车翻车机每年卸载物料量可达1 0 0 0 万吨，三车翻车机卸载的物料量更 是达到1 5 0 0 万吨。双车翻车机多采用月牙型或c 型端环，三车翻车机多采用o 型端环， 目的是增加整体强度，两种机型的压车和靠车装置均是液压型式。目前，部分翻车机可 翻卸一种特殊的车辆，即通过旋转车钩，能实现相邻车厢之间以任意角度旋转的敞车， 这样在翻车机作业时，敝车可不解列，以提高效率。这种翻车机的特点是翻车机转子的 旋转中心与车钩的旋转中心必须重合。目前国外主要采用的是单车和双车翻车机，仅在 美国境内就有4 0 0 多套翻车机，其中半数为不摘钩连续翻卸。 1 2 2 国内翻车机应用情况 我国港口安装的第一台翻车机一一大连港原甘井子煤炭码头高架侧倾式翻车机， 是美国1 9 4 3 年的产品【9 】。我国开始研制翻车机是在解放之后，大连重工起重集团是最早 设计制造翻车机的公司。1 9 5 6 年大连重工起重集团开始消化和吸收前苏联m 2 型翻车机 c 型翻车机及载荷分析 的技术，在此基础上开发采用钢丝绳锁钩装置的k f j 2 型翻车机。在改革开放以前，我 国只能设计和制造单车翻车机。 1 9 9 2 年，大连重工起重集团和武汉电力设备厂在仿照法国阿尔斯通公司的“c 型 转子式翻车机的基础上，几乎同时开始研制c 型翻车机，最后大连重工在1 9 9 4 年首先 成功投产在石家庄焦化厂，武汉电力设备厂的也于1 9 9 6 年在湖南湘潭电厂成功投产。 该种型号的最大特点是采用液压靠车、压车，运行过程非常平稳、冲击小，使得作用在 车辆上侧梁的压力值和内倾弯矩大幅度减少。 在2 0 0 0 年到2 0 0 7 年期间，大连重工起重集团自行研发生产的f z 3 一l 三车翻车机 和f z 2 2 双车翻车机，应用于山东日照港码头、秦皇岛煤码头和神华天津煤炭码头等。 大连重工起重集团作为国内翻车机的重要生产商，已经达到了国际领先水平。2 0 0 6 年大 连重工起重集团自主研发的新型整机一体式三车翻车机，是目前世界上最大的一体式翻 车机，达到了目前国际上大型翻车机的最高设计水平。可以看出，历经多年的发展，我 国的翻车机，无论在数量上，还是设备的性能及自动化的水平都有巨大的提高。 1 4c a e 技术简介 本文在解决问题的过程中主要采用c a e 技术。计算机辅助工程分析c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术，是一种发展迅速的信息技术，是计算机技术和工程分析技 术的结合，是实现重大工程和工业产品的建模、计算分析、模拟仿真、与优化设计的工 程软件，是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计最重要的工具和手段 【l 。随着c a e 技术的不断发展，解决范围已由线性问题发展到非线性问题，由单一的物 理场发展为多场耦合问题。广泛应用于航空航天、建筑、机械土木工程等领域。c a e 的 核心技术就是有限元理论和数值计算方法【】。 c a e 是一种高速发展的信息技术，c a e 的概念范围很广，从广义上讲它可以包括 工程和制造业信息化的所有方面，狭义的c a e 主要是指利用计算机对工程和产品进行 有限元分析计算和模拟仿真，以便发现设计中的问题，或者证实设备的可用性及可靠性 吲。制造工程协会s a e ( s o c i e t yo fm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ) 将计算机辅助工程( c a e ) 作为c i m ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ) 技术构成进行如下定义：分析设计和进 第1 章绪论 行运行仿真，以决定它的性能特征和对设计规则的遵循程度( a n a l y z e sad e s i g na n d s i m u l a t i o n si t s o p e r m i o nt o d e t e r m i n ei t sa d h e r e n c et od e s i g nr u l e sa n dp e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ) 0 3 - 1 5 。c a e 软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数学仿真技术、 工程管理学与计算机技术相结合，而形成的一种综合性、知识密集型信息产品【1 0 】。在 c a e 软件的帮助下，我们可以对研究对象进行几何模型的建立、有限元分析、仿真模拟 及优化设计。 c a e 软件按照应用范围分为专用型和通用型两种：专用型c a e 软件是针对某一特 定问题所开发的用于设备性能分析、模拟和优化的软件；可以对多种类型的问题进行上 述分析的软件，称之为通用c a e 软件。 现在，c a d c a e c a m 技术已经相互渗透，软件上集成，因此在讨论c a e 技术的 时候，我们不可避免的要涉及c a d 、c a m 的相关知识。并且c a e 的发展也代表了这 些技术的发展。 c a e 技术的主要步骤按照顺序包括：前处理、有限元分析、后处理。 1 4 1c a e 软件的发展 在市场需求的刺激下，c a e 技术迅速发展，最早诞生于2 0 世纪5 0 年代中期，而 其软件最早出现在7 0 年代初期，在随后的十多年时间里，c a e 软件是处在独立成长的 阶段，完善和扩充基本功能、算法和软件的结构。就通用c a e 软件而言，在8 0 年代中 期，出现了商业化的版本。1 9 8 5 年前后，国际上主要流行的c a e 软件有n a s t r a n 、 a n s y s 、a s k a 、m a r c 、a d i n a 、a b a q u s 、m o d u l e f 、d y n 3 d 等，这些软件的 设计理念都是采用结构化设计，在f o r t r a n 语言平台上开发的，所以在数据管理技术 上并不成熟，主要用于大型计算机。 2 0 世纪末c a e 软件在商品化方面快速发展，软件开发商为了满足用户的需求、适 应计算机的发展，对软件的功能和性能，尤其是图形界面进行了大力扩充；对软件结构 进行调整，在c + + 语言平台上开发软件，使结构成为面向对象型。大大扩展了c a e 软 件的使用范围。c a d 技术的发展也为c a e 技术的广泛应用奠定了坚实的基础【1 6 1 。 c 型翻车机及载荷分析 1 4 2c a e 技术的应用 ( 1 ) c a e 技术在汽车制造行业的应用 c a e 技术在汽车的设计和制造行业应用十分广泛。利用c a e 软件可以对汽车发动 机的发动机性能进行估计，发动机内部燃烧情况的模拟，主体结构的有限元强度分析； 对于车身方面，可以对车身进行动态、静态的有限元计算，车体外形的空气动力方面计 算；对于底盘方面，可以对车架进行强度、刚度、稳定性的分析。c a e 技术可以大幅度 减少汽车设计制造业中产品开发时间，并且可以通过优化的方式开发出性能更加优异的 汽车。 ( 2 ) c a e 技术在飞机制造业中的应用 飞机的初期设计，都是利用c a d 软件建立模型的，之后在c a e 环境下进行仿真 模拟可以发现设计中的问题，对设计方案进行优化，其数据对后续的风洞试验具有重要 的参考价值。 ( 3 ) c a e 技术在板材冲压方面的应用 板材的冲压成型是一个几何、边界条件、材料等强非线性问题，其计算过程复杂。 用普通算法计算得到的误差很大。c a e 技术的发展可以有效的减少误差，扩展了c a e 的使用范围。 ( 4 ) c a e 技术在其他行业的应用 随着有限元法的发展，c a e 技术不断成熟，c a e 软件面向高性能迅速发展。c a e 技术的使用范围日益扩大，在生物医学、土木工程、冶金、电子行业中得到了广泛的应 用。 第2 章翻：乍机静动态应变的现场测试 第2 章翻车机静动态应变的现场测试 由于翻车机载荷及其复杂，通常的理论分析难以加以确定，为了更加准确地分析 和确定翻车机的工作载荷，需要采用实测的方法。本文采用动静态应变测量的方法，结 合有限元分析，对翻车机载荷加以修正和确定。下面我们简要介绍翻车机动静态应变测 量的方法。 2 1 翻车机主体结构及部件 翻车机结构比较复杂，包含端环和主梁。如图2 1 所示，c 型翻车机主要包含以下 部分：端环a 和端环b ，以及三根主梁分别称为前梁( 压车梁) 、后梁( 靠车梁) 和平 台( 或称为中梁) 。 图2 1 部件及部位示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fc o m p o n e n t sa n dp a r t s c 犁翻车机及载荷分析 2 2 实验方案设计 实验测量的主要目的是通过对翻车机结构的特定点的静动态应变值及时变曲线的 测量，结合理论分析的方法对翻车机翻转过程中的载荷变化进行分析和研究，并验证有 限元模型的有效性。 根据初步的有限元分析，在三根主梁结构上布置3 6 个测点，并且选择6 个点测量 点，通过d s p s a d t 动态测量系统及模态参数识别模块( 图2 2 ) 进行动态数据的测量。 测试点分布如图2 3 ，测试点编号参见图2 4 、图2 5 、图2 6 。 图2 2d s p s a d t 动态测量仪 f i g2 2d s p s a d td y n a m i cm e a s u r i n gi n s t r u m e n t 图2 3 测试点位置示意图 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h et e s tp o i n t 第2 章翻车机静动态应变的现场测试 塌环a 图2 4 靠近端环a 的测点编号 f i g2 4t h en u m b e ro ft e s t i n gp o i n tc l o s e dt op a r ta 端环b 图2 5 靠近端环b 的测点编号 f i g2 5t h en u m b e ro ft e s t i n gp o i n tc l o s e dt op a r tb l o c 型翻车机及载荷分析 1 8 审叫 1 h 2 0r 1 。诲一_ 上l 一 丫 、，l i 口1 6 xl _ 运。 粱中 图2 6 梁中部的测点编号 f i g2 6t h en u m b e ro ft e s t i n gp o i n ta tt h ec e n t e ro ft h eb e a m 载荷与激励：在0 。、6 0 。、9 0 。、1 3 5 。、1 6 5 。五个特定翻转角下，由翻车机 驱动系统提供瞬时猝发随机激励。分别测试在自由状态和满负荷下，测试点的静态、动 态应变数值。为了保证实验数据的可靠性，每类数据测量3 次取得平均值。具体实验过 程如下： ( 1 ) 空载翻转静态应变测量( 测量3 次) 对0 、6 0 、9 0 、1 3 5 、1 6 5 度五个翻转角下，对翻车机结构的应变进行测量，目的 在于分析和计算自重在翻转过程中的影响。 结构分析必须对这几种翻转角下，自重作用下的应变场加以分析，以供现场测试 的结果比较。 ( 2 ) 空载翻转动态应变测量( 测量3 次) ( 3 ) 正常负载下，翻转静态应变测量( 测量3 次) 。具体实验过程为： 空载、置零； 进车( 动态跟踪) ( 车重+ 物料重) 稳定后，静态应变测量；( 车重+ 物料重作用下的应力分析) 靠车( 动态跟踪) ( 压车及靠车载荷) 第2 章翻车机静动态应变的现场测试 稳定后，静态应变测量；( 车重+ 物料重+ 压车载荷+ 压车及靠车载荷作用下的应力 分析) 翻转6 0 度( 动态跟踪) 稳定后，静态应变测量；( 在6 0 度翻转角下，车重+ 物料重+ 压车载荷+ 靠车载荷 作用下的应力分析) 翻转9 0 度( 动态跟踪) 稳定后，静态应变测量；( 在9 0 度翻转角下，车重+ 物料重+ 压车载荷+ 靠车载荷 作用下的应力分析) 翻转1 3 5 度( 动态跟踪) 稳定后，静态应变测量；( 在1 3 5 度翻转角下，车重+ 物料重+ 压车载荷+ 靠车载荷 作用下的应力分析) 翻转1 6 5 度( 动态跟踪) 稳定后，静态应变测量；( 在1 6 5 度翻转角下，车重+ 物料重+ 压车载荷+ 靠车载荷 作用下的应力分析) 0 度( 动态跟踪) 稳定后，静态应变测量；( 在0 度翻转角下，车重+ 压车载荷+ 靠车载荷作用下的 应力分析) ( 4 ) 正常负载下，翻转动态应变测量( 3 次) 空载，置零； 进车( 稳定后，局部静态测量) 、压车、靠车； 翻转，不停顿；回o 度位，空载； 全程动态跟踪测量。 c 型翻车机及载荷分析 图2 7 部分测试点图片 f i g2 7p a r to f t h e t e s tp o i n t 图2 7 表示的是测点贴片后的的实际情况。图2 8 表示的是现场测量时，记录实验 数据的情况；图2 9 和图2 1 0 分别给出翻车机在空载运行至6 0 。和满载运行至1 3 5 。的 。 。矗： 位置。 图2 8 现场记录数据 f i g2 8r e c o r d i n gt h ed a t ao ft e s t 第2 章翻车机静动态应变的现场测试 图2 9 空载运行至6 0 。 f i g2 9p o s i t i o no f6 0 。w i t he m p t yc a s e 幽2 1 0 满载运行至1 3 5 。 f i g2 1 0p o s i t i o no f1 3 5 。w i t hf u l l l o a dc a s e 将记录的实验数据取平均值，形成表格。以表2 1 为例，整理所有实验过程中得到 的静态测量数据。其中的记录的数据为z 方向上的微应变，单位是肛；得到的动态测 试数据为曲线图，在第5 章的结果分析时对其进行讨论。 c 型翻干机及载荷分析 在这里由于页面篇幅所限，省略了靠近端环b 的测试点的数据以及其他工况下的 数据，这些数据从表格形式上来讲同表2 1 、表2 2 基本相同，不再全部列出。 表2 1 空载第一次实验数据( p e ) t a b2 1d a t ai nt h ef i r s te x p e r i m e n tf o re m p t yc a s e a 部 0o0ooo00o00o0 6 0 11 51 11 62321 17116 9 01 71 43 0 2 01 01 01 21 61 0- 1 6- 2 11 5 1 3 52 5o6 63 103 0 - 2 31 76 3 4 4 5- 2 6 1 6 55 31 09 91 334 42 43 21 5 4 8 6 32 5 o 中 部 ooooo0oo 6 02 89 03 39 33 55 97 9 07 81 0 19 5 1 0 86 34 75 6 1 3 51 1 68 01 7 5 1 1 08 8 1 2 - 1 2 5 1 6 51 8 81 02 7 84 11 2 8 4 8 1 9 9 o 0o5 3 o 61 64 5 2 1 1 261 4 1 3 7 1 3 1 48 55 4 3 0 3 9 1 4 0 - 5 1 1 5 第2 章翻车机静动态应变的现场测试 表2 2 满载第一次实验数据( ) t a b2 2d a t ai nt h ef i r s te x p e r i m e n tf o rf u l l l o a dc a s e 087 451 2 7 1 41 8 2 695 1- 9 压车 19- 2 1- 1- 1 261 4- 1 3 2 496 15 6 045 2 8 2 31 6 1 045815 08 a 部 9 03 82 05 61 708- 21 9 1 2 - 1 51 48 1 3 59 23 88 782 702 5 8 3 2 2 0o2 1 6 51 1 12 01 0 62 32 61 4- 76 83 43 4 2 06 03 413 71 97112o81 42 01 0968。2 886 压车 5 42 18 571 032 7 6 01 3 41 1 6 1 7 4 1 2 57 02 1 69 中部 9 02 3 01 3 3 2 7 3 1 1 71 5 9 2 1 16 4 1 3 53 3 11 0 6 3 7 85 82 4 41 1 6 1 6 2 1 6 53 8 15 4 4 4 802 5 64 0 2 2 6 01 096 91 0- 34 8 01 32 1 21 2 9 41 11 7 12 0 5 8 3 92 1 0 1 9 1 03 12 0 5 2 5 2 62 41 1 65 4 454 08 1 21 52 0 52 0 1 6 c 型翻车机及载荷分析 第3 章相关理论及l - d e a s 软件介绍 通常，力学问题的分析方法可以概括分为解析法与数值法两大类。解析法主要是 通过材料力学或者弹性力学的基本方程来求解应力与变形。材料力学的公式适用范围不 广，只能处理一些细而长的杆、梁构件。弹性力学对杆、梁、板、壳等结构都建立了相 应的基本方程。以二维结构分析为例，我们通过两个平衡方程，三个几何方程，三个本 构方程，共八个方程能求解弹性体的八个未知量，即两个位移分量u ，v ；三个应变分量 ex ，ey ，yx y 和三个应力分量ox ，oy ，tx y 。并且待求解的应力分量还应该满足边界 条件【1 7 18 1 。理论上讲，弹性力学应能够适用于求解一切弹性体的应力与变形问题。但在 实际工程中，结构形状、受力情况和边界条件往往都比较复杂，用弹性力学的基本方程 来求解很难得到结果。所以，解析法通常只能对某些简单问题才能求得解析解。而对复 杂结构的分析，唯一的途径是应用数值法来求出问题的近似解。 力学分析中的数值法又可分为两类： 第一类是在解析法的基础上进行近似数值计算。首先通过解析法来建立弹性力学 基本方程，然后利用近似的数值解法求解。例如有限差分法，它用有限差量比值来代替 导数，把微分方程式变换成差分方程式( 线性代数方程) ，然后再求出弹性体内各点的应 力分布，而且求出的应力分量必须满足边界条件。有限差分法对于解决边界规则或材料 特性均匀的问题比较有效，由于它不能适应处理复杂的结构形状与边界条件，也不能适 应处理不同的材料特性与变化的载荷等缺点，因此有限差分法在结构分析中的应用受到 较大的限制。 第二类数值方法是在解析法的基础上进行近似的数值计算。先用解析法建立弹性 力学的基本方程，然后再用近似的数值解法，先将连续弹性体简化为有限个单元组成的 离散化模型，然后对离散化模型求出数值解，即有限元法。 3 1 有限元法基本理论 有限元法( f e a ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 是现代工程分析中最广泛应用的数值计 算方法。从起初在航空工程中的应用，拓展到土木工程、水利工程、船舶工程和核能工 第4 章有限元模型的建立及载荷和边界条件的确定 程中，从固体力学拓展到流体力学、热传导等各个领域中，其理论与算法也日趋完善， 已经成为解决复杂的工程问题必不可少的工具。 有限元法的基本思想最早出现于2 0 世纪4 0 年代初期，1 9 6 0 年，美国的克拉夫在 一篇名为“平面应力分析的有限元法”中首次使用“有限元法这个名词【1 9 】。到2 0 世 纪6 0 年代末7 0 年代初，有限元法的理论已经基本成熟，随后陆续出现了商业化的有限 元分析软件。 3 1 1 有限元法的基本原理乜蚴1 有限元法的基本原理是将一个代表结构或连续体的求解域通过划分网格，离散为 若干子域( 称为单元) ，通过它们边界上的结点相互联结称为整体。将无限自由度离散 为有限自由度；然后用每个单元内部所假设的近似函数来分片的表示全求解域上待求的 未知量。而后，进一步建立力学模型，这个力学模型往往表达为代数方程组或常微分方 程组的形式。此方程组称为有限元求解方程