動(dòng)臂式起重機(jī)結(jié)構(gòu)剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法研究.pdf

1、大型動(dòng)臂式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是一種復(fù)雜的柔性運(yùn)動(dòng)梁桿系統(tǒng)，在工程建設(shè)中具有極其廣泛的應(yīng)用，其工作過程中的安全可靠與經(jīng)濟(jì)高效是起重機(jī)設(shè)計(jì)、制造和生產(chǎn)的核心所在。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，以及人們對(duì)具有高度安全性要求的大型重載起重機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的嚴(yán)苛控制與優(yōu)良性能的不懈追求，與精良制造相對(duì)應(yīng)的高效、準(zhǔn)確的計(jì)算分析方法已成為當(dāng)代起重機(jī)設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。以往的靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析和一般方法剛體動(dòng)力學(xué)分析方法已不能滿足具有柔性運(yùn)動(dòng)部件的起重機(jī)精確計(jì)算

2、分析的需要。對(duì)大型柔性動(dòng)臂式起重機(jī)進(jìn)行彈性運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析受到越來越多專家學(xué)者的關(guān)注，成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。本文以動(dòng)臂式港口起重機(jī)組合動(dòng)臂機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)整個(gè)臂架變幅起動(dòng)過程進(jìn)行了深入的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。所謂剛?cè)狁詈?，不僅是指構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)存在剛性的大運(yùn)動(dòng)和彈性變形的耦合，同時(shí)也是指系統(tǒng)中某些構(gòu)件被視為剛性，而其他構(gòu)件被視為彈性的復(fù)合系統(tǒng)。針對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)中構(gòu)件剛度相差懸殊的多體系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，若把多體系統(tǒng)當(dāng)作多剛體系統(tǒng)進(jìn)行分析

3、，由于忽略了彈性變形，將導(dǎo)致分析結(jié)果的錯(cuò)誤，而完全將其作為柔性多體系統(tǒng)進(jìn)行建模和分析求解，又會(huì)由于系統(tǒng)方程過于龐大，帶來分析求解上的困難。為提高分析效率，將復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)劃分為含有限彈性構(gòu)件和剛性構(gòu)件的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)是有效而可行的。
　　本文應(yīng)用柔性體運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論，通過分析大位移柔性單元?jiǎng)幽芎蛣菽?，由拉格郎日方程推?dǎo)了基于隨動(dòng)坐標(biāo)法的一般柔體單元運(yùn)動(dòng)平衡方程。以非線性有限元分析中的幾何與物理方程及變形能描述和柔體單元運(yùn)動(dòng)平衡方程

4、為基礎(chǔ)，推導(dǎo)了計(jì)及二階效應(yīng)的柔性梁桿單元運(yùn)動(dòng)平衡方程。根據(jù)柔性梁單元固聯(lián)坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)和慣量的存在，給出剛性運(yùn)動(dòng)引起的平面柔性梁固端力表達(dá)式，揭示了由剛體運(yùn)動(dòng)造成柔性梁固端力項(xiàng)的本質(zhì)含義。由此獲得包括剛體大位移與彈性變形耦合運(yùn)動(dòng)及運(yùn)動(dòng)彈性固端力的柔性梁單元?jiǎng)恿W(xué)分析一般有限元列式。實(shí)現(xiàn)了從一般柔性機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程到KED動(dòng)力學(xué)分析方程以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)方程的自然銜接，為后續(xù)的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。
　　與結(jié)構(gòu)靜力分析和振動(dòng)分析相比，

5、剛體動(dòng)力學(xué)分析中有限元方法的運(yùn)用并不多見，彈性系統(tǒng)組建規(guī)則不能直接運(yùn)用。以剛性單元作為柔性單元的特例，在柔性梁單元運(yùn)動(dòng)方程基礎(chǔ)上直接推導(dǎo)剛性梁單元運(yùn)動(dòng)方程。通過剛性梁單元運(yùn)動(dòng)方程和剛性單元結(jié)點(diǎn)位移約束條件得到單元坐標(biāo)系下和整體坐標(biāo)系下的平面剛性梁單元獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方程。引入等效平面梁單元集中等效質(zhì)量陣的概念，等效質(zhì)量矩陣是對(duì)角陣，在有限元系統(tǒng)建模時(shí)應(yīng)用極其方便，為系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程的組裝和求解帶來方便。提出剛性約束條件下虛擬系統(tǒng)等效的前提條件

6、，給出多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模的一般表達(dá)形式?；谔撐灰圃淼奶摂M剛性梁單元與剛性系統(tǒng)的構(gòu)建原理與等效原則，借助彈性有限元表達(dá)模式，將剛性構(gòu)件有條件地表為具有集中質(zhì)量的虛擬等效單元，快捷地組建虛擬系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程。通過引入剛性位移約束條件和剛性系統(tǒng)關(guān)聯(lián)條件，確定虛擬系統(tǒng)非獨(dú)立坐標(biāo)與真實(shí)剛性系統(tǒng)廣義坐標(biāo)間的二階和三階轉(zhuǎn)換矩陣，從而實(shí)現(xiàn)由虛擬系統(tǒng)到真實(shí)系統(tǒng)的規(guī)范化快速建模與集成。
　　使用隨動(dòng)坐標(biāo)法，根據(jù)結(jié)點(diǎn)位移、速度和加速度在隨動(dòng)坐標(biāo)系內(nèi)與

7、整體坐標(biāo)系內(nèi)的關(guān)系，推導(dǎo)了柔性梁桿單元和剛性梁單元在整體坐標(biāo)系下的動(dòng)力學(xué)方程，包含了各種慣性耦合矩陣，全面考慮了柔性梁單元和柔性桿單元的剛體運(yùn)動(dòng)和彈性變形間的相互影響和耦合。借助彈性有限元組裝規(guī)則，給出了剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程即虛擬柔性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的組裝策略，通過剛性單元與系統(tǒng)約束條件，導(dǎo)入基于可能位移原理的剛?cè)狁詈详P(guān)聯(lián)約束，對(duì)虛擬柔性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行集成與降階縮減，得到真實(shí)的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程。以典型算例演示了虛擬柔性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)

8、方程的組裝過程和動(dòng)力學(xué)方程的縮減。
　　提出了剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析的能量檢驗(yàn)法，跟蹤檢驗(yàn)系統(tǒng)分析過程與結(jié)果的穩(wěn)定性和誤差變化情況，借此彌補(bǔ)當(dāng)前針對(duì)復(fù)雜多柔體系統(tǒng)或剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)條件不足，難以進(jìn)行實(shí)際模型驗(yàn)證的困難。給出了剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的具體數(shù)值求解方法和程序流程圖并編制了對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析有限元程序。借助能量守恒原理列寫剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)功能平衡公式，檢查剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)總勢能與外力作功的平衡情況。通過系統(tǒng)輸入與輸出能量相對(duì)

9、誤差值變化，判斷計(jì)算結(jié)果是否合理，以控制復(fù)雜剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析過程的正確進(jìn)行。
　　以某型動(dòng)臂式起重機(jī)四聯(lián)桿組合臂機(jī)構(gòu)為研究的應(yīng)用對(duì)象，使用本文提出的剛?cè)狁詈舷到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法和能量檢驗(yàn)法進(jìn)行建模分析，證明本文研究理論在工程中的實(shí)際應(yīng)用。動(dòng)力學(xué)仿真考察了起重機(jī)臂架變幅起動(dòng)過程中馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩、馬達(dá)轉(zhuǎn)速、馬達(dá)加速度、能量誤差的變化情況，起重臂底部支座反力的變化情況。支座反力的變化反映了起動(dòng)過程中臂架結(jié)構(gòu)的承受動(dòng)載情況，為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度