起重機(jī)仿生箱梁結(jié)構(gòu)局部穩(wěn)定性設(shè)計(jì)理論研究.pdf

1、起重機(jī)結(jié)構(gòu)自重大，運(yùn)行能耗高，其結(jié)構(gòu)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要手段。以往結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，或采用高強(qiáng)度鋼進(jìn)行材料替代。在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)上，要進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)件質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)件的承力性能必須找到新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和思路。針對(duì)起重機(jī)箱梁結(jié)構(gòu)輕量化的科學(xué)問(wèn)題，從結(jié)構(gòu)仿生學(xué)相似性原理出發(fā)，提出葉脈加勁肋結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)研究葉脈及竹節(jié)的自然分布特性，指導(dǎo)加勁肋在箱梁結(jié)構(gòu)中的仿生布置設(shè)計(jì)。
　　針對(duì)斜向肋箱梁結(jié)構(gòu)中的局部屈曲

2、失穩(wěn)問(wèn)題，推導(dǎo)斜坐標(biāo)系下簡(jiǎn)支邊彎矩計(jì)算公式、縱向面內(nèi)載荷作用下斜板的屈曲平衡微分方程，將調(diào)和微分求積法和邊界融入法結(jié)合起來(lái)，給出調(diào)和邊界融入微分求積法求解簡(jiǎn)支斜板局部穩(wěn)定性的具體方法。以單向軸壓和剪應(yīng)力作用下簡(jiǎn)支斜板為例，研究載荷變化系數(shù)、斜板邊長(zhǎng)比和傾角同屈曲臨界載荷之間的關(guān)系。結(jié)果表明:單向軸壓作用下簡(jiǎn)支斜板屈曲臨界載荷隨載荷變化系數(shù)的增大而增大、隨傾角的增大而減小、隨邊長(zhǎng)比的增大先增大后減小再增大;剪應(yīng)力作用下簡(jiǎn)支斜板屈曲臨界載荷

3、隨邊長(zhǎng)比的增大而增大、隨傾角的增大先減小后增大。以雙向軸壓或單向軸壓與剪應(yīng)力作用下簡(jiǎn)支斜板為例，研究載荷比值（1/5≤Ny/Nx≤5，或1/5≤Nxy/Nx≤5）、斜板邊長(zhǎng)比(1/2≤r≤2)和傾角(30°≤a≤90°)同屈曲臨界載荷之間的關(guān)系。結(jié)果表明:對(duì)于雙向軸壓作用下簡(jiǎn)支斜板，當(dāng)斜板傾角和邊長(zhǎng)比不變、載荷比值增大時(shí)，斜板屈曲臨界載荷隨載荷比值增大而減小;當(dāng)載荷比值和角度不變、邊長(zhǎng)比增大時(shí)，斜板屈曲臨界載荷隨邊長(zhǎng)比增大而增大;當(dāng)載荷

4、比值和邊長(zhǎng)比不變、斜板屈曲臨界載荷均隨傾角增大而減小。對(duì)于軸壓和剪應(yīng)力作用下簡(jiǎn)支斜板，當(dāng)斜板傾角和邊長(zhǎng)比不變、載荷比值增大時(shí)，斜板屈曲臨界載荷隨軸壓比值增大而減小;當(dāng)r=1/2～1時(shí)，不同傾角下屈曲臨界載荷同邊長(zhǎng)比之間的變化關(guān)系并不是一致的，當(dāng)r=1～2時(shí)，不同傾角下屈曲臨界載荷隨邊長(zhǎng)比增大而增大;當(dāng)載荷比值和斜板邊長(zhǎng)比不變、傾角增大時(shí)，斜板屈曲臨界載荷隨傾角增大而減小。以單向軸壓和剪應(yīng)力作用下CCCC、CSCS和SCSC斜板為例，研究

5、斜板邊長(zhǎng)比和傾角同屈曲臨界載荷之間的關(guān)系。結(jié)果表明:單向軸壓作用下CCCC和CSCS斜板屈曲臨界載荷隨邊長(zhǎng)比增大而增大、隨傾角增大而減小;單向軸壓作用下SCSC斜板屈曲臨界載荷隨邊長(zhǎng)比增大而波動(dòng)、隨傾角增大而減小。剪應(yīng)力作用下CCCC、CSCS和SCSC斜板屈曲臨界載荷隨邊長(zhǎng)比增大而增大、隨傾角增大先減小后增大。
　　針對(duì)非均布載荷作用下矩形板件的屈曲承載力問(wèn)題，從幾何形狀、邊界條件和載荷三個(gè)角度，研究局部受載彈性薄板的對(duì)稱特性。

6、運(yùn)用有限元求解具有對(duì)稱性矩形板的屈曲臨界載荷，并通過(guò)對(duì)比DQM數(shù)值解驗(yàn)證有限元解的精確性。同時(shí)對(duì)比非均布載荷作用下矩形板屈曲臨界載荷的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式，給出能夠滿足工程實(shí)際需要的修正經(jīng)驗(yàn)公式。
　　以竹子為仿生對(duì)象對(duì)正軌箱梁橫向肋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)研究竹子結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的自然分布特性與受力特性間的作用關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同受力截面對(duì)應(yīng)不同的等效節(jié)間距?？紤]加勁肋間距對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度指標(biāo)的影響，設(shè)定加勁肋極限間距。建立正軌箱梁加勁肋變間距等穩(wěn)

7、定性優(yōu)化策略，結(jié)合有限元彈性屈鹽分析進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)加勁肋變間距等穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)例研究表明，優(yōu)化求解速率隨偏差率增大而增大;仿生箱粱較傳統(tǒng)箱梁加勁肋數(shù)量由15道減小為10道、主梁重量減輕;各截面屈曲抗失穩(wěn)能力差異減小，同時(shí)滿足強(qiáng)度和剛度指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。
　　本文從理論角度、數(shù)值仿真和有限元仿真三個(gè)角度，針對(duì)仿生斜向肋箱梁結(jié)構(gòu)中局部斜板的屈曲承載力問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究。同時(shí)，針對(duì)仿生變間距肋正軌箱梁進(jìn)行了等穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。論文研究工作具