大噸位鐵路起重機梨形伸縮臂設(shè)計及其非線性問題研究.pdf

1、伸縮臂是鐵路起重機至關(guān)重要的組成部分，作業(yè)時載荷直接作用其上，因而對該部分的計算合理與否顯得尤為重要。
　　梨形截面伸縮臂代表了當(dāng)前伸縮臂制造工藝的先進(jìn)水平，同時，符合伸縮臂大噸位、大起重力矩的發(fā)展趨勢，探究其設(shè)計計算方法、模擬其真實接觸情況下伸縮臂與滑塊上應(yīng)力分布都具有現(xiàn)實意義。本文從企業(yè)級用戶的角度出發(fā)，發(fā)揮C＃.NET界面友好、操作性強和MATLAB對復(fù)雜龐大數(shù)據(jù)計算能力強的特點，開發(fā)出了伸縮臂的統(tǒng)籌設(shè)計計算軟件，該軟件能高

2、效地進(jìn)行伸縮臂長度、危險工況篩選、危險工況下載荷計算和材料性能計算工作，操作非常簡單、效率高。根據(jù)該軟件的運行結(jié)果，在具有強大的非線性分析功能的有限元軟件ABAQUS中建立梨形截面伸縮臂的實體模型，設(shè)置伸縮臂與滑塊間的接觸相互作用，為提高非線性模型收斂性，細(xì)化接觸區(qū)域網(wǎng)格，同時，采用參考點與周圍區(qū)域運動耦合進(jìn)而設(shè)置參考點之間為鉸接連接的方法，來模擬伸縮油缸與伸縮臂的鉸接相互作用。為進(jìn)一步促進(jìn)接觸非線性收斂，分步施加外部載荷。經(jīng)過多次迭代

3、計算，ABAQUS給出了梨形截面伸縮臂的接觸有限元分析結(jié)果。結(jié)果顯示:對于梨形截面伸縮臂:(1)下槽板底部與唇口滑塊前端接觸處應(yīng)力最大;(2)上槽板的傾斜板與尾部滑塊棱邊接觸處是易產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域。對于滑塊:(1)在兩種工況下，二節(jié)臂唇口滑塊的應(yīng)力分布規(guī)律是不一致的。危險工況1時，二節(jié)臂唇口滑塊應(yīng)力呈現(xiàn)“前(+Z)小后(-Z)大”的分布規(guī)律;危險工況2時，該滑塊呈現(xiàn)相反的“前(+Z)大后(-Z)小”的應(yīng)力分布規(guī)律;(2)基本臂唇口滑塊

4、的唇口端的尖角處、二節(jié)臂尾部滑塊的尾部圓弧過渡區(qū)的棱邊上是應(yīng)力集中的區(qū)域。該區(qū)域的應(yīng)力值突破了材料屈服極限，發(fā)生塑性變形，應(yīng)研究滑塊彈塑性接觸下的應(yīng)力分布規(guī)律。
　　塑性問題是結(jié)構(gòu)力學(xué)三大非線性問題之一，分析該類問題的關(guān)鍵在于合理設(shè)置材料的彈塑性本構(gòu)模型。對于本文滑塊局部小應(yīng)變塑性問題，采用雙線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線描述滑塊材料的拉伸試驗應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)。采用各向同性強化法則描述材料進(jìn)入塑性后隨載荷變化的進(jìn)一步反應(yīng)，經(jīng)過多次迭代計算，AB

5、AQUS給出了滑塊彈塑性接觸下的滑塊應(yīng)力分布?；瑝K彈塑性接觸有限元分析結(jié)果顯示，塑性材料的強化作用大大降低了滑塊塑性變形區(qū)域的應(yīng)力，材料進(jìn)入塑性狀態(tài)后，應(yīng)力增加變得緩慢起來。然而，對比材料彈性有限元分析結(jié)果，滑塊塑性變形并未對伸縮臂應(yīng)力分布造成過多影響，這一影響在一定條件下甚至是可以忽略的。同時，塑性區(qū)域分布顯示:塑性變形區(qū)域較小，說明滑塊依然可以正常工作，大大提高了材料的利用率。
　　為使優(yōu)化結(jié)果更具實用價值，本文模擬伸縮臂的真

6、實工作情況，同時考慮滑塊接觸非線性和材料非線性對梨形截面伸縮臂進(jìn)行輕量化設(shè)計。本文利用正交實驗表選出的樣本（設(shè)計變量的組合），具有“均勻分散、齊整可比性”的優(yōu)點，該方法在最大限度地節(jié)約計算成本的同時也保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。利用LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超強的非線性擬合能力和通過ABAQUS補充后的樣本，經(jīng)過39次學(xué)習(xí)，LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就達(dá)到了訓(xùn)練精度。使用GA方法在LM-BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出的非線性關(guān)系中尋優(yōu)。為便于制造，對優(yōu)化得到的設(shè)計變量（伸