（机械设计及理论专业论文）1632吨桥式双梁起重机小车轻量化研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 1 6 3 2 吨桥式双梁起重机小车轻量化研究 摘要 桥式起重机作为一种重要的物流机械，广泛地应用于国民经济的各个领域。随着时代 的发展和科学技术的进步，我国起重机的设计正逐渐向轻量化方向发展。目前我国对起重 机轻量化的研究大多集中在对其主梁结构的优化上，并取得了较大进展；而对小车所做的 轻量化研究却不够深入，与国外许多具有先进结构的小车相比，有较大差距。 本文针对国内起重机小车轻量化研究不足的情况，对某厂一台1 6 3 2 吨桥式双梁起重 机小车的结构轻量化技术进行了相关研究： 1 ) 首先根据现代设计思想，分析了该小车起升、运行机构的传动方式和所选用的元 器件；建立了该小车车架的有限元模型，采用有限元软件m s c p a t r a n 分析了其在最不 利工况下的应力、应变分布情况以及固有振动特性。 2 ) 根据分析结果，针对原小车结构松散、自重过大等现状进行结构轻量化重设计。 经分析比较和设计计算，确立了结构紧凑的起升、运行机构传动方式并选择了相应的元器 件；针对新机构的特点，重新设计了小车车架结构。 3 ) 对新设计小车车架进行了有限元分析，提出了相应的结构改进设计方案。 4 ) 利用有限元软件a n s y s 的a p d l 语言建立结构改进后小车车架的有限元摸型，编 ，写了以小车架主梁和纵梁钢板厚度为参数的优化程序，确定了使车架自重最轻时的板厚尺 寸。 本文通过对1 6 3 2 吨桥式双梁起重机小车的轻量化研究，为我国起重机轻量化技术提 供了一定的理论和实例依据，也对整个物流机械行业向轻型化、节能化方向的发展起到了 定的推动作用。 关键词：桥式起重机，小车，轻量化，有限元法，优化设计 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c o f 、i g h t - r e d u c t i o no n1 6 3 2t o v e r 咖a dt r a v e l l 矾gc ra n et r o l l e y a b s t r a c t a so n ei m p o r t a n tt y p eo ft h el o g i s t i c sm a c h i n e ，o v e r h e a dc r a n ei sw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u s f i e l d so fe c o n o m y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n ds c i e n t i f i ct e c h n o l o g y , d e s i g no fc r a n e c o n t i n u a l l yh a st h et r e n do fw e i g h t - r e d u c t i o ni no u rc o u n t r y c u r r e n t l y , s t u d yo fc r a n ei sm o s t l y c o n c e n t r a t e i n g o ns t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no ft h em a i ng i r d e ra n dh a v el r l a d cag r e a t p r o g r e s s c o m p a r e d 诵t ht r o l l y 谢t l ls u p e r i o r s t r u c t u r ei nf o r e i g nc o u n t r i e s ，s t u d yo f w e i g h t r e d u c t i o nr e s e a r c ho ft r o l l yi sl i m i t e da n d n e e dt ob ei m p r o v e d g i v e nt h er e s e a r c ho fc r a n et r o l l yi si n s u f f i c i e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o ni sa i m e da tr e s e a r c h i n gt h e w e i g h t r e d u c t i o no fa16 3 2 to v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n et r o l l e y ss t r u c t u r ed e s i g n e db y af a c t o r y ： 1 ) a n a l y z e st h ed r i v i n gw a y so ft h et r o l l e y sh o i s t i n gm e c h a n i s ma n dt r a v e l l i n gm e c h a n i s m a sw e l la st h e i rc o m p o n e n t sb a s e do nt h ea d v a n c e dd e s i g nt h o u g h t s b u i l d st h ef e am o d e lo ft h e t r o l l yf l a m e ，t h e na n a l y s e si t sd i s t r i b u t i o no fs t r e ea n ds t r a i na n da l s oi t si n h e r e n tv i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c su d e rt h et r o l l e y sm o s ta d v e r s ew o r k i n gc o n d i t i o nb yu s i n gt h ef e as o f tw a r e m s c r 气t ra n 2 ) o nt h eg r o u n do ft h ea n a l y z i n gr e s u l t s ，r e d e s i g nt h et r o l l e ys t r u c t u r ed u et ot h el o o s e s t r u c t u r ea n d h e a v yw e i g h to f t h ef o r m e rd e s i g nw i t ht h ec o n c e p to f w e i g h t r e d u c t i o n e s t a b l i s h e s t h ed r i v i n g i n gw a y so fi t sh o i s t i n gm e c h a n i s ma n dt r a v e l l i n gm e c h a n i s m 、析t l lc o m p a c ts t r u c t u r e a sw e l la st h e i rr e l a t e dc o m p o n e n t st h r o u g ha n a l y s i n g ，c o m p a r i n ga n dc a l c u l a t i n g r e d e s i g nt h e t r o l l e y sf r a m ea c c o r d i n gt ot h en e wh o i s t i n gm e c h a n i s ma n dt r a v e l i n gm e c h a n i s m 3 ) f u r t h e r m o r e ，a n a l y z e st h es t r u c t u r eo fn e wt r o l l y sf r a m eb ym s c p a t r a n ，p u t t i n g f o r w a r dr e f i n e i n gm e a s u r e so fi t 4 ) b yu s i n gt h ea n s y sl a n g u a g ea p d l ，e s t a b l i s h e st h ef e a m o d e lo ft h er e f i n e dt r o l l y s f r a m e ，c o m p i l et h eo p t i m i z a t i o np r o g r a mw i t ht h et h i c k n e s so fm a i ng i r d e ra n dl o n g i t u d i n a l g i r d e r sp l a t eb e i n g t h e p a r a m e t e r s m o r e o v e r ，f i n d o u tt h em o s ts u i t a b l ed e g r e eo f t h i c k n e s s ，w h i c he n s u r et h el e a s tw e i g h to ft h et r o l l y t h r o u g ht h er e s e a r c ho nw e i g h t r e d u c t i o no f16 3 2t o no v e r h e a dc r a n et r o l l y , i t ，t os o m e e x t e n t ，p r o v i d e st h e o r ya n de x a c te x a m p l e sf o rt h ec r a n ew e i g h t - r e d u c t i o ni no u rc o u n t r y i n 浙江工业大学硕士学位论文 a d d i t i o n ，t h i sr e s e a r c hp l a y sar o l ei nt h ep r o c e s so fw e i g h t r e d u c t i o na n de n g e r ys a v i n go f l o g i s t i c sm a c h i n e k e yw o r d s ：o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ，t r o l l e y , w e i g h t - r e d u c t i o n ，f e am e t h o d ，o p t i m a l d e s i g n 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者始硷西乞f 翌 醐幽7 年。朋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名：砩函氛t 易 导师签名：丢蓄【龟 ，一蕊、。 刁叩 月月 r一、卜 降嘹 件7 期期 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 起重机作为重要的物流机械，在我国国民经济各部门的物质生产和物资流通中发挥着 巨大的作用。尤其是近年来，由于我国加速构建和谐社会的需要，起重机作为关键的工艺 设备及重要的辅助机械，在我国的经济建设中扮演着越来越重要的角色。 起重机可按主要用途和构造分类。按主要用途可分为通用起重机、建筑起重机、冶金 起重机、铁路起重机、港口起重机、造船起重机及甲板起重机等。按构造特征可分为桥式 类型起重机和臂架式类型起重机；旋转式起重机和非旋转式起重机；固定式起重机和运行 式起重机等【l j 。 由于时代的发展，制造工厂和装卸作业场所开始转向室内，使桥式起重机逐渐占据了 主导地位，设置在室内的起重机中，桥式起重机约占9 0 。桥式起重机的特点在于：它不 占用建筑物内的主要地面，却能以极少的物资材料和极为稳定的形态把建筑物内各处当作 可能的作业范围，进行高速、高效的服务。此外，桥式起重机容易以较低的成本实现各机 构的半自动或自动控制。因此在物流机械设备中，桥式起重机起到了非常重要的、不可替 代的作用 2 1 。 多年来，我国桥式起重机设计制造大都是参考老一辈设计人员所提供的图纸和经验进 行，而老一辈设计人员由于一些条件的限制和对起重机安全方面的因素考虑过多，所设计 的起重机均具有太大的安全系数，结构笨重，并且导致材料浪费，基建费用增加。同时， 我国桥式起重机的设计水平与国外先进的桥式起重机设计技术相比，有着较大差距。随着 社会技术水平的不断提高和一些现代设计方法的出现，我国生产的桥式起重机在此方面的 问题越来越突出。因此不断提高桥式起重机的技术含量，简化其结构，减轻其重量，并提 高其性能是不可抗拒的技术潮流。吸取国际先进的技术，促进桥式起重机轻量化研究的不 断进展，必将对我国起重运输行业的进步起到十分积极的推动作用【3 ，4 j 。 1 2 国内外研究状况 第二次世界大战后，国外物流科学得到了快速发展，成为不断创造社会价值的广阔领 域。与此相适应，起重机也得到了相应的发展，取得了许多研究成果，其中就包括对轻量 浙江工业大学硕士学位论文 化技术的研究。从2 0 世纪7 0 年代至今，国外起重机轻量化研究取得了长足的进步：起重机 通过结构的轻量化和性能的提高，节省了大量的社会资源，极大地推进了世界经济的迅速 发展。我国的起重机制造业起步于2 0 世纪5 0 年代，早期的起重机钢结构设计理论偏于保守， 主要表现为安全系数高，钢结构结构自重大，元器件笨重且性能较差，这样造成了起重机 的整体尺寸和重量过于庞大。由于历史的原因和发展层次的不均衡，目前我国起重机制造 业的水平参差不齐，传统的设计理论依然占据着主导地位【5 1 。但随着c a e 技术的广泛应用 以及对国外先进设计、制造方法的学习，我国起重机轻量设计化技术正处于蓬勃发展的阶 段。 从世界各国对起重机轻量化的研究状况来看，德国是世界上起步比较早的国家，而美 国、日本、法国、荷兰等国家以及我国也非常重视起重设备的轻量化研究。起重机轻量化 技术的研究成果主要表现在以下两方面： 1 ) 涌现出众多基于先进工程理论的起重机现代轻量化设计方法； 2 ) 研发了大量结构紧凑、自重轻、性能卓越的起重设备。 1 2 1 轻量化设计方法研究状况 长期以来，起重机的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计 法和类比法、直觉法等传统设计方法。这些方法设计过程繁琐，周期长，设计的精确度差， 可靠性低，设计出的结构偏重。 近年来随着电子计算机技术的广泛应用和现代工程设计理论的不断完善，许多跨学科 的现代设计方法出现，使起重机的轻量化设计进入崭新的阶段f 6 l ： 1 ) 优化设计法 上世纪6 0 年代以前，起重机设计一直沿用经验类比设计方法，不仅需花费较多的设计 时间，设计周期也长，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较分析，同时选择的方案 也没有十分精确的评价标准来衡量其优劣，一般很难得到近乎最优的设计方案。随着电子 计算机技术的发展与应用，可以建立设计过程能自动择取最优方案的一种迅速有效的方 法，即优化设计。这种设计方法是数学规划与计算机技术相结合的产物，成为解决复杂设 计问题的一种有效工具。起重机设计采用优化方法，能根据产品要求，合理确定和计算各 项参数，以期达到最佳设计目标，例如重量、成本、性能和承载能力等【7 】。 自起重机采用优化设计方法以来，德国、俄罗斯、美国、日本等国和我国的许多专家 学者先后开展了对起重机主梁的优化设计，大多以重量最轻为设计目标【8 1 2 1 。以后又逐步 扩展到桥架、小车架等零部件和机构的优化【1 3 - 1 6 。但由于起重机是成系列、成批量的产品， 浙江工业大学硕士学位论文 单目标优化已不能满足设计者的需求，如何寻求多目标多参数，能兼顾多种因素的整体优 化方法已引起世界各国起重机设计者关心。 我国曾采用多级模糊综合评判方法，综合考虑起重机性能、成本、工艺、生产管理、 制造批量和使用维护等多种因素，达到用最少规格数的零部件组成尽可能多的起重机规格 型号数，解决了起重机系列整体优化问题，取得了一定的效果【1 7 】。今后在起重机的方案选 择、主参数匹配、主要结构件及传动件的设计及布置等方面，将会更多地采用优化设计方 法。 2 ) 有限元法 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，随着计算机技术的 发展，在工程领域得以广泛应用。一般按传统解析法设计起重机局限性很大，仅能进行粗 略简化分析，载荷工况只有有限的几种，无法随意组合，大多只能分析静力。而采用有限 元法则优越得多，能整体、全面、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析， 对完成复杂结构或多自由度系统的分析十分有效。有限元法能针对起重机实际使用的结构 边界条件进行定量的分析计算，并通过相关有限元软件为设计提供丰富且能反映实际工况 的计算结果，并配有丰富的动态图形显示功甜1 8 1 。 例如对桥式起重机小车车架的设计计算，传统方法是将其分解为主梁和纵梁两部分， 并简化为简支梁计算，精确度不高，安全系数过大。采用有限元法，可将小车架作为一个 整体框架计算，并可分别进行静力和动力学分析，给出局部的应力、应变值【1 9 - 2 2 1 。对于大 型起重机和关键零部件的设计计算及局部应力分析，采用有限元法也非常具有优越性。 3 ) 模块化设计法 起重机非标产品很多，其参数规格的多样性，常造成重复设计，效率低，成本高，而 且产品通用化程度低，更新换代速度慢，产品重量过大，这种传统的设计方式需要改进。 模块化设计是最有前途的发展方向之一，它可将起重机上同一功能的基本部件、元件、零 件设计成具有不同用途、不同性能的模块，这些模块具有相同的联接要素，可以互换。选 用不同模块进行组合，可形成各种不同类型和规格的通用或专用起重机2 3 之5 1 。例如德国德 马格公司开发了一种标准车轮箱模块系列，上面有多组联接孔，可选装不同型号的驱动单 元，可组装成台车，可与金属结构件组合后用作桥式、门式起重机、巷道堆垛机或其它形 式起重运输机械；其车轮有多种踏面形式可供选用，由于不受轮距的限制，组合更加灵活， 用途更加广泛【2 6 】。 起重机采用模块化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且会影响到整个起重机行业 的技术、生产和管理。老产品的更新换代、新产品的研制速度将大大加快。目前，德国、 3 浙江工业大学硕士学位论文 英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都己采用起重机模块化设计，并取得了显著的 效益。据资料介绍【2 7 1 ，德n d e m a g 公司单梁起重机系列改用模块化设计后，比单件设计的 设计费用下降1 2 0 0 ，生产成本下降4 5 ，自重减轻1 8 ，经济效益十分可观。模块化设计 在我国起重机系列设计时也有了初步应用。 4 ) 反求工程设计 目前世界各国都在充分利用别国的科技成果加以消化吸收与创新，并进一步发展自己 的新技术和新产品。反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术 的组合。反求工程设计通过实物或技术资料对己有的先进产品进行分析、研究、解剖和试 验，了解其参数、性能、构造和功能，掌握其关键技术、工作机理和工艺原理，以进行仿 制、改进或发展创造新产品的一种方法。相对于一般设计、反求工程设计突出“求”的环节。 通过反求分析，对反求对象从功能、原理、方案、结构、尺寸、材料、加工装配工艺等有 全面深入的了解。明确关键功能和关键技术，对设计中的特点和不足之处做出必要评估， 在此基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计或开发型设计【2 引。 日本在起重机的轻量化设计中非常重视引进国外先进技术，并充分运用反求工程设计 方法对先进技术进行消化，不但通过仿制国外轻型起重机取得了较好的经济效益，同时也 根据对反求过程中工艺参数的研究，开发出许多创新型轻量化产品 2 9 1 。我国在引进和消化 国外起重机轻量化先进技术中也采用了反求工程设计方法。例如对起升和变幅机构的反求 工程的研究，便取得了良好的效果【3 0 】。 1 2 2 起重设备研发状况 伴随着现代轻量化设计方法的不断成熟和完善，国内外许多知名起重设备生产商经过 不断探索，相继研发了大量先进的产品。 例如，德国d e m a g 公司某型号起重机大小车运行机构采用了世界领先水平的“三合一” 驱动装置，结构较同类产品更为紧凑，自重较轻，简化了该系列起重机的总体布置【2 6 1 。 法国v e r l i n d e 公司在吸收各国起重机先进设计经验的基础上，研发出v t s 系列自动卷 扬电动葫芦，其自重极轻，承载能力强，定位精确，工作稳定可靠，成为了同类电动葫芦 里的佼佼者【3 l 】。 法国p a t a i n 公司的某型号桥式起重机采用窄偏轨箱形粱作主梁，其高、宽比为3 4 5 左 右，大筋板间距为粱高的2 倍，不采用小筋板。主粱与端梁的连接采用搭接方式，使垂直 力直接作用于端梁上盖板，由此可降低端梁的高度，减轻重量，并且便于运输。 又如p a t a i n 公司采用了一种以板材为基本构件的小车架结构，其重量轻，加工方便， 4 浙江工业大学硕士学位论文 适用于中、轻级中小吨位的起重机。该结构要求起升机构采用行圆锥齿轮减速器，不直接 与车架相连接，以此来降低小车架的刚度要求，减化小车架结构，减轻自重。 芬兰k o n e 公司为某火力发电厂生产了带有先进起升小车的桥式起重机。该小车起升机 构减速器的外壳与小车架其中一根端梁合二为一，卷筒一端与减速器相连，另一端支撑于 小车架的另一根端梁上。定滑轮组与卷筒组连成一体，省去了支撑定滑轮组的承梁，简化 了小车架的整体结构。同时，小车运行机构采用“三合一”驱动装置。这样做减轻了小车架 和小车的自重。副起升机构为电动葫芦安置一台车上，由主起升小车牵引。小车自重的减 轻使起重机主梁截面亦随之减小，因而整机自重大幅度减轻f 3 2 】。 我国在起重机轻量化设计上也取得了一定的进展： 在元器件轻量化研究中，我国吸收德国的先进设计经验，自主研发了q s 型起重机“三 合一”减速器，并且已经系列化和标准化【3 引。并且，我们也在不断学习发达国家的“三合一” 技术：例如大连起重设备有限公司某型号起重机大小车运行机构的驱动装置仿制了德国 d e m a g 公司的“三合一”减速器，并将其吊挂于端梁内侧，使其不受主粱下挠和振动的影响， 提高了运行机构性能与寿命，并使结构紧凑，重量减轻，安装维修方便 3 4 j 。同时，我国于 7 0 年代初期开始自行研发了c d l 轻型起升电动葫芦，该系列也已经标准化【3 5 】。但是c d l 型 电动葫芦也存在着起重量小、安全性能差、起升速度调节范围小等缺陷。 在对起重机金属结构轻量化的研究中，我国也收获了一定的经验。尤其是对桥式起重 机桥架结构的轻量化设计，我国已经趋于成熟。对桥架结构的轻量化设计多采用优化设计 的思想，以主梁箱型截面的各尺寸为设计变量，然后利用计算机技术求得理想的参数f 3 6 - 3 7 。 例如徐州重型机械有限公司生产的某系列5 5 0 t 通用桥式起重机中采用半偏轨的主梁结 构，与传统的正轨箱形粱相比，可减少或取消主梁中的小加筋板，取消短加筋板，减少结 构重量，节省加工工时。几年前，国家星火计划提出桥架采用四根分体式不等高结构，使 它在与普通桥式起重机同样的起升高度时，厂房的牛腿标高可下降1 5 m ，两根主粱的端部 置于端梁上，用高强度螺栓连接，车轮踏面高度因此下降。在垂直轮压的作用下，厂房支 撑立柱的计算高度降低，使厂房基建费用减少，使用寿命增加。 1 3 课题研究的意义和主要内容 1 3 1 课题研究的意义 桥式起重机一般主要由桥架、大车运行机构、起重小车等结构组成( 如图1 1 所示) 。 起重小车是整个起重机重要的起升机构和水平移动机构。它工作时承受着起升载荷，将满 浙江工业大学硕士学位论文 载轮压传递给桥架，既而又通过支撑桥架的大运行车轮，将满载起重机的全部重量传给了 厂房的轨道和建筑结构【3 8 l 。因此，小车的重量在很大程度上决定了桥架的结构以及厂房的 布置。由此可见，采用合理的小车结构，减轻小车自重，优化小车主要的机构以及小车架 的应力分布，其意义不仅在于节约本身所消耗的钢材和降低成本，提高运行稳定性与安全 性，同时还会因减轻了桥架和厂房建筑结构的受载而节省大量基建费用。当今世界是一个 节能型的社会，节约材料和能源的小车轻量化设计正是符合时代发展的需要。 目前我国起重机已经逐渐开始采用轻量化设计，但是通过对国内大量文献的查阅发 现：轻量化研究的主要工作还是集中在主梁的结构优化上，对小车轻量化的研究还有待深 入；并且在很多情况下，我们一些工厂还在采用相当陈旧的方法设计、制造小车。 本课题针对某厂的一台1 6 3 2 吨桥式双梁起重机小车( 主、副钩的起重量分别为1 6 t c - g l 3 2 0 的设计方案进行研究： 1 ) 分析原小车各功能部件以及小车架结构，发现该小车设计上存在的不足； 2 ) 对该小车进行结构轻量化重设计； 3 ) 分析该新设计小车结构的合理性，并对其车架结构进行改进和优化； 4 ) 得出该1 6 3 2 吨小车的最终轻量化设计方案。 希望通过对本课题的研究，能够对该厂原小车的设计方案有一个较大的改进，在实现 原小车各性能参数的基础上，新小车自重可以比原小车减轻3 0 以上；并且希望能够为我 国起重机行业轻量化技术提供有定参考价值的理论和实例依据。 图1 1桥式起重机结构简图 1 - 起重小车；2 一桥架；3 大车运行机构 6 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 本文所做的主要工作 本文主要做了以下工作： 1 ) 分析某厂原1 6 3 2 吨桥式双梁起重机小车设计方案中起升机构、运行机构的传动 方式和所使用元器件； 2 ) 采用s o l i d w o i 水s 对原小车车架进行三维实体建模，并利用有限元软件 m s c p ! a 1 限a n & m s c n a s t ra n 分析该车架的应力、应变分布情况及固有振动特性； 3 ) 针对1 ) ，2 ) 的分析结果，依据轻量化设计要求重新设计新的小车结构； 4 ) 对新设计小车的车架进行有限元分析，并改进其结构； 5 ) 在结构改进的基础上利用有限元软件a n s y s 的a p d l 语言编写优化程序，以车架 主梁和纵梁钢板厚度为优化参数，得到在满足正常运作情况下小车架的最小钢板厚度；并 确立轻量化小车的最终设计方案； 6 ) 对原设计方案与最终设计方案进行比较，并对新小车整体结构进行三维实体建模。 1 4 本文结构和技术路线 本论文的大致结构如下： 第l 章，绪论。介绍课题研究的背景；起重机轻量化技术的国内外研究状况；概述了 课题研究的主要内容、论文的结构和相关技术路线。 第2 章，课题研究的基本理论及方法。阐述了本课题研究所涉及的相关理论与方法： 有限元法，模态分析理论和工程优化设计方法。 第3 章，原小车设计方案分析。分析了原小车起升和运行机构的传动形式及元器件选 择的合理性；对该小车车架结构进行了有限元分析。根据分析结果论证了该小车有必要进 行轻量化重设计。 第4 章，新小车设计方案研究。确立新小车各机构的传动方案，重新选择小车主要元 器件；针对新设计的起升机构和运行机构重新设计小车架。从而，确立了新小车的初始设 计方案。 第5 章，新小车架结构的改进和优化。首先对新设计的小车车架进行有限元分析，针 对分析结果提出相应的结构改进方案，确定了改进后车架的基本尺寸；之后以结构改进后 小车架的主梁和纵梁的钢板厚度为参数，编写了以小车架重量最轻为目标的优化程序，求 得了相应的板厚尺寸；然后再次对改进和优化后的小车架进行有限元分析，验证改进和优 化结果的合理性，并将最终确立的新小车设计方案与原设计方案进行比较。 浙江工业大学硕士学位论文 第6 章，结论与展望。总结所做的主要工作，然后对关于起重机小车轻量化还需要深 入研究的问题表达了自己的看法。 本课题研究的主要技术路线如下( 图1 2 ) 。 厨叵三 匿 圉 国国( a p d l 方案的确立 厂语言) f 臣蛰 图1 2 课题研究的技术路线 1 5 本章小结 本章阐述了桥式起重机在当前物流行业中的作用和地位，就设计方法和设备两方面分 析总结了国内外起重机轻量化技术的研究现状，介绍了课题研究的背景和意义，概述了本 课题研究的主要内容，并提出了相应的技术路线。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章课题研究的基本理论及方法 本课题研究的主要任务是分析某厂1 6 3 2 吨桥式起重机小车结构的设计方案，针对分析 结果，基于轻量化设计思想重新设计一台满足原小车功能的小车，并对该新小车进行结构 的改进和优化。在这个过程中，需要运用相关的理论知识和设计方法。本章通过阐述课题 研究中主要涉及的有限元法、模态分析理论以及工程优化方法，为后面章节所做的研究工 作打下理论基础。 2 1 有限元法简介 有限元法是一种可以获得许多工程问题近似解的数值计算方法，最初用于研究航空结 构的强度问题，后来逐渐发展推广至其它工程领域口9 1 。特别是对于有关工程问题中复杂结 构的力学问题，能将其转化为离散型问题进行分析，因而能解决大多数过去经典解析法难 于解决的问题。 本文的研究对象为原1 6 3 2 吨桥式双梁起重机小车，其车架是一个结构复杂的连续体。 它由许多钢板焊接而成，并且其内部架设有多块筋板。建立其结构的三维透视图如图2 1 所示。 图2 1原小车车架结构三维透视图 显然，在分析这种复杂结构的应力、应变分布情况时，传统解析法是无法得到准确结 果的，因此，必须要借助有限元法的相关理论知识。 9 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 1 有限元法基本理论 有限元法的基本思想是将模拟分析的连续物体假想地分割成为有限个分块，用所有的 分块的集合体表示原来的物体，籍此方便地建立起单元内力学量与未知量的关系式，集合 成结构分析方程。把结构物化分成为若干单元的步骤称为将物体或结构物离散化。物体或 结构物离散化后，每个单元中的一些物理量，如位移、应变等在单元中的变化有可能采用 一些逼近原函数的近似函数予以描述。 在有限元分析法中，以一定的函数去表示单元内的位移或位移场。这些函数称为位移 模式或位移函数。所以有限元方法中分析的已不是原有的物体或结构物，而是一个有同样 材料的多数单元以一定方式连接成的与原物体形状接近的离散的物体。因此，有限元法分 析中所获得的物体或结构物的应力变形等结果只是近似的。当物体或结构物被正确的划分 成为非常多的单元时则所求得的解也就非常逼近真实的解。在有限元方法中普遍地应用多 项式函数作为近似函数，原因是多项式的数学运算如微分、积分等比较容易；此外，在一 个单元中适当地迭加各次多项式可以得到与原函数较为接近的近似解。 在建立单元的位移模式方面，通常有两种方法，一是广义坐标法，二是插值函数法： 1 ) 广义坐标法 例如，一维单元的位移模式“( ：) 可表示为： u ( j ) 。a o + 口1 x + a 2 x 2 + a n z ” ( 2 一1 ) u = u 即为单元中的位移，q ( f = 0 ，1 ，1 ) 是待定参数，称为广义坐标。a ，之所以广 义坐标，是因为a ，并不真正地表示单元的节点位移，它们实际上是一些节点的位移组合。 多项式数则决定于单元的自由度，一个单元的自由度是这个单元所有节点的总和。 2 ) 插值函数法 将单元的位移模式表达成为各个节点位移乘上一定的插值函数的积的和。插值函数变 化量的幅度，一般在1 至l j + l 之间，其幅值大小则视坐标位置而定，但在节点上的值为1 或0 。 例如一维单元，以插值函数表示的位移模式为： 甜( 力= m , u ，= m 2 ，+ 2 z ，2 + 虬( 2 - 2 ) i = l 式中 m 插值函数( i = 1 , 2 ，? ) 一般拉格朗日多项式作插值函数，或用汉弥等多项式作插值函数，也有用面积坐标、 体积坐标等形函数作插值函数。 二维单元以插值函数表示位移模式为： l o 浙江工业大学硕士学位论文 ，”，+ n 2 u 2 + n n u n n i + n 2 七n 一， ( 2 3 ) 式中“( x ) ，v ( 力节点位移 这两种建立单元位移模式的方法，前者使用广泛，但后者优点较多例如用广义坐标法 建立位移模式时，求广义坐标矗 的计算过程中需计算这些矩阵的逆阵，如果矩阵是奇异 的，其逆矩阵并不存在，则显然地有了局限性。而且广义坐标h 的含义不明也是一种缺 点。 选择单元的位移模式在有限元法中是比较关键性的问题。一般要求所选择的位移模式 必须保证单元内物理量的连续性、单元之间位移的协调胜、完备性以及整个解的收敛性。 单元的性质是指单元的力学性质，即刚度和柔度。刚度是指单元某一节点在一定方向 的单位节点位移引起的节点力，柔度是指单元某一节点在一定方向的单位节点力引起的节 点位移。 对于二维或三维单元，例如在弹性平面问题三角形等应变单元中，二个顶点即为节点， 以及分别表示各方向的位移，及分别表示各方向的力，则共有六个节点位移碜、e 、甜，、 ”。、1 ，。和六个节点力置、z 、x ，、昂也、。 它们之间的关系可以表示为： x i z x l x k k 墨2 缸2 墨； k 2 4 屯。 扎 k k “ k i 5 露2 5 也， k 4 5 k 1 6 k 2 6 氏 k 也，k k 6 5k 或写成： p = k 6 式中矩阵k 一刚度矩阵，其中k ，( f ，歹= 1 ，2 ，6 ) 称为刚度系数 矩阵尸一节点力列矩阵 上式两边同乘以k 一之后得： 6 = f p 式中f = k 。1 l l ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 甜 材 m m 。瑚。汹 l l = 、，、， x x ” v ，l 班仉巩巧以靠 浙江工业大学硕士学位论文 f 称为柔度矩阵，可见它是刚度矩阵k 的逆矩阵。在有限元位移法中要求单元刚度矩 阵，在有限元力法中要求柔度矩阵，有限元混合法中两者都要求。刚度矩阵和柔度矩阵可 以利用直接法、变分法、虚功原理、加权参数法等方法求得。 2 1 2 有限元法的三维问题 有限元法解三维问题，其原理与方法实际上与平面问题的有限元方法相似，首先将实 际连续的三维结构物离散成为有限个三维单元( 一般是四面体或六面体) ，各个单元仅在若 干节点处与其它单元的节点联接，而所有作用于物体上的力也同样等效地移植到单元的节 点上。 一般地，每个节点的自由度取其三个位移。例如，4 节点四面体单元( 图2 - 2 ) 的j k l 四 个节点，有1 2 个位移，t i l ju ；，_ ，m ，甜，v f ，w ，攻，w k ，啊，嘶。使用位移法时，这些位量便 为结构的基本未知量。也有些三维单元节点自由度除了取其位移外，还取位移导数。 类似平面问题，三维单元内部任意点的位移模式有两种表达方法t 1 ) 广义坐标法 图2 24 节点四面体单元【3 9 】 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 z f = 叩一y 啊z ，暑l v = 9 ：一y 啊z i = 1 w = y l x 砘y 确z 6 式中 口，、3 , 、乃一单元的广义坐标，f = 1 , 2 ，拧 甜、v 、w 一节点位移值 2 ) 插值函数法 打 “= f b 1 1 ，= n t v i i = 1 打 w ：y nw ， 一1 i = i 首先建立单元节点力f 与节点位移万的关系式： k ：西e = f ： 式中屯一单元的刚度矩阵 统一节点的位移向量 e 一节点的向量 根据三维问题中弹性与位移的关系可以得n - 式中t = kx 。ey ：。y 哆，y r - ，y 0 万丁= 【“，v ，w 】 0 o a 瑟 o a 咖 a 苏 6 = b i 6 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) o a一砂o a一知a一勃o a一次o o a一砂o a 一瑟 浙江工业大学硕士学位论文 万与节点位移皖的关系为： 6 = n 6 e 则有： ( 2 1 1 ) 占= 局n 皖 ( 2 1 2 ) 即： 占= b 芘( 2 1 3 ) 式中b 应变矩阵 由三维问题的广义虎克定律可以得到应力万与应变s 的关系为： 莎= d 占( 2 1 4 ) 式中 1 7 7 = 疋，盯y ，仃：，了叫，f 弦，f 荔】 d 一弹性矩阵 由式2 1 3 和式2 1 4 ，可以将单元的应力盯与单元的节点位移坑联系起来，也就是说， 通过单元的节点位移变化可以求得单元的应力。 在确定了节点位移向量各分量的次序后，即可对每个单元的刚度系数进行组合叠加， 组成结构物的刚度矩阵七，。并根据节点上的外力c 与内力平衡的条件列出代数方程组： 只= k 。瓯 ( 2 1 5 ) 将边界条件及载荷等己知量代入方程组即可解出4 0 。4 2 1 。 2 2 模态分析理论简介 本课题所研究的小车车架，在外界的时变激励作用下将产生振动。当来自于钢轨、车 轮、电动机、减速器、传动轴等的多种频率的振动与车架固有频率接近时，将产生共振【4 3 m 】。 共振会给作业车间带来噪声污染和小车部件的疲劳损坏，威胁n 4 , 车架的使用寿命和作业 车间工作人员的生命安全。因此，为了解小车架固有振动特性从而在轻量化设计中尽量避 免车架产生的共振动现象，有必要对车架结构进行模态分析。 2 2 1 模态分析基本思想 模态分析的基本思想是将描述机械、结构动态性能的矩阵方程解耦，从而使n 自由度 系统的动力学特性可以用单自由度系统来表示。模态分析的核心内容是确定用以描述结构 系统动态特性的固有频率、阻尼和振型等模态参数【4 5 4 引。这些模态参数可以由计算或试验 分析取得。本文为了分析新、老小车设计方案中车架的固有振动特性，结合有限元计算方 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 法并采用有限兀软件m s c p a t r a n & m s c n a s t r a n 对冥进行模态分析。 模态分析的实质是一种坐标变换，就是利用系统固有模态的正交性，以系统的各阶模 态向量所组成的模态矩阵作为变换矩阵，对通常选取的物理坐标进行线性变换，以物理坐 标和物理参数描述相互耦合的运动方程组，使每个方程只含一个独立的模态坐标。 任何结构系统的运动均可表示为内力、外力和惯性力的平衡方程组，即结构动力学分 析的基本方程； 阻坛) + 陋) + 医- - p ( f ) + 4 - 妇 ( 2 1 6 ) 式中阻】一质量矩阵 c 】一阻尼矩阵 k 】一刚度矩阵 p o ) ) 外力函数矢量 ) 一与函 、翻 相关的非线性外力项矢量 q 一外界约束反力矢量 函 位移矢量 函 速度矢量 亿 一加速度矢量 特征值问题就是假设系统在无阻尼及无外载荷状态下求解自由振动的模态矢量，用方 程表示为： 阻坛4 - k i u - - o ) ( 2 1 7 ) 式中阻】、医】为实数对称矩阵。 该方程具有简谐运动形式的解： 函g ，y ，z ，f ) = 移g ，y ，z 蜘吖 ( 2 1 8 ) 式中 移g ，y ，z ) 位移矢量的幅值，它定义了位移矢量函 的空间分布 噱一简谐运动的角频率 将轨) 和仁 代入后可以得到方程： k 一西m 肜) e x p ( i c _ a t ) = o ) ( 2 1 9 ) 上式在任何时刻t 都成立，去除含t 的项可以得到： k 一m 协) = 0 ) ( 2 2 0 ) 这就是典型的实特征值问题。令彳= 2 ，移) 具有非零解，则： 浙江工业大学硕士学位论文 d e t k 一删】= 0 ( 2 2 1 ) - 7 p a 解出一组离散根五，使得： k 一丑肘坛) = 0 i = 1 , 2 ，刀( 2 2 2 ) 其中五为结构系统的第i 个特征值，瓶 称为对应的第f 个特征矢量。 2 2 2l a n c z o s 模态提取法 本文对小车架结构的模态分析是利用m s c p a t r a n 中的“模态分析模块”进行的。选择 适当的模态提取方法是很重要的，它将直接影响到求解的速度和精度。常用的模态提取方 法有：子空间迭代法( s u b s p a c e ) ，凝聚法( r e d u c eh o u s eh o l d e r 法) ，非对称矩阵法 ( u n s y m m e t r i c 法) ，阻尼法( d a m p e d ) 等，兰索斯法( l a n c z o s ) 等。 l a n c z o s 方法博采众长，它采用稀疏矩阵方程求解器，是将以，l 阶实矩阵经相似变换 约化为三对角矩阵以求解特征值问题的一种方法，运算速度快，输入参数少，特征值、特 征向量求解精度高。由于它采用了s t o r m 序列检查，在用户感兴趣的频率范围内，在每个漂 移点处如果找不到所有的特征值，l a n z o s 方法会给出提示信息，弥补了丢根的缺陷( 5 2 1 。故 本文采用l a n c z o s 方法提取小车架模态。 l a n c z o s 法是提取特征值的一个重要方法。它将原来的特征问题转化为三对角矩阵的 特征值确定。此法可用于确定所有模态或部分模态。 对任意给定的矩阵，由医，】= k s m