大型起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷分析.pdf

1、博士學(xué)位論文大型起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷分析InstabilityLoadAnalysisforLargeScaleBoomStructuresofCranes學(xué)l0903009大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文JIlllMIIIIdllllIJllllilliIllllliPllJY2968896摘要大型起重機(jī)臂架是一種重載、柔性、細(xì)長結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由于具有起重量大、吊起高度高、工

2、作幅度多樣、臂節(jié)組合靈活等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于高空吊裝行業(yè)，是主要的承載部件。臂架結(jié)構(gòu)的長度通?？梢赃_(dá)到幾十米甚至上百米。在重載情況下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大位移，表現(xiàn)出幾何非線性的特點(diǎn)，其平衡路徑追蹤和失穩(wěn)載荷求解等問題一直以來都是分析的難點(diǎn)。隨著現(xiàn)代計算技術(shù)的進(jìn)步和實際需要的日新月異，使這類結(jié)構(gòu)不斷朝著更稀疏、更細(xì)長的方向持續(xù)優(yōu)化。通常而言，結(jié)構(gòu)越細(xì)長就越有可能在破壞前發(fā)生失穩(wěn)。此外，由于起重機(jī)臂架起重性能分析需要考慮機(jī)構(gòu)約束、多工況和自重等因素，

3、因此迫切地需要一種高效地計算這類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷的方法。為了高效地求解大型起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的臨界載荷，本文在高效建模方法和失穩(wěn)載荷快速求解方法等方面進(jìn)行了研究和探討?，F(xiàn)在的大型工業(yè)設(shè)備或者建筑結(jié)構(gòu)都是很多標(biāo)準(zhǔn)部件組成的。本文提出一個大型結(jié)構(gòu)的整體分析方案，把設(shè)計階段既有的部件有限元模型作為子結(jié)構(gòu)，通過直接給出不同部件在公共邊界上節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系，將部件界面縫合起來用于整體分析，避免了傳統(tǒng)方法需要構(gòu)造的復(fù)雜界面單元，大幅提高了建模效率。大型起重機(jī)

4、的臂架結(jié)構(gòu)是由一系列標(biāo)準(zhǔn)臂節(jié)相繼連接而成，具有周期性的特點(diǎn)。因此，應(yīng)用本文所提的整體分析方案，可以一次性將型號相同的臂節(jié)建立成臂節(jié)單元，模型數(shù)據(jù)可以重復(fù)用于不同類型、不同長度的臂架結(jié)構(gòu)分析，節(jié)省了建模時間。部件界面縫合方法也可以用于其他大型結(jié)構(gòu)的有限元分析，節(jié)省了整體結(jié)構(gòu)建模的工作量，拓展了子結(jié)構(gòu)方法的應(yīng)用。臂架自重對其穩(wěn)定性分析有很大的影響。為了建立考慮重力影響的臂節(jié)單元，本文首先通過引入重力載荷影響系數(shù)矩陣，把重力離散到臂節(jié)結(jié)構(gòu)的每

5、個節(jié)點(diǎn)上。然后，將臂架以臂節(jié)為單位劃分成多個臂節(jié)單元，在每個臂節(jié)上建立一個隨結(jié)構(gòu)一起運(yùn)動的局部坐標(biāo)系，并將交界面節(jié)點(diǎn)定義為邊界節(jié)點(diǎn)。由于臂節(jié)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)除重力外不再受其他外力的作用，將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的位移表示成局部位移和坐標(biāo)系位移的組合，從而將重力做功分解成局部位移對應(yīng)重力做功和坐標(biāo)系位移對應(yīng)重力做功兩部分。在此基礎(chǔ)上，將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的局部位移由邊界節(jié)點(diǎn)的局部位移表示，提出了考慮重力影響的臂節(jié)內(nèi)部自由度減縮方法。接著，推導(dǎo)了臂節(jié)單元邊界節(jié)點(diǎn)位移和邊界

6、節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系，得到了由邊界節(jié)點(diǎn)位移參數(shù)描述的臂節(jié)單元廣義節(jié)點(diǎn)力表達(dá)式，并解析地給出了節(jié)點(diǎn)力平衡方程的切線剛度陣。本文采用共旋坐標(biāo)法考慮臂架結(jié)構(gòu)的幾何非線性效應(yīng)，并將變幅機(jī)構(gòu)與臂架結(jié)構(gòu)視為整體系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，推導(dǎo)了變幅機(jī)構(gòu)施加在臂架上的非線性外力。實際工程中，需要對同一類型起重機(jī)進(jìn)行多工況穩(wěn)定性分析，傳統(tǒng)的求解穩(wěn)定性的增量法和各種弧長法在求解效率上難以滿足要求?？紤]到起重機(jī)的變化載荷只有吊重這一項，本文通過將平衡方程對載荷求導(dǎo)，把