基于竹子截面微觀結(jié)構(gòu)的鐵路起重機伸縮臂仿生設(shè)計.pdf

1、鐵路救援起重機的伸縮臂截面從最初的矩形，經(jīng)過梯形、多邊形、大圓角矩形的不斷演變，目前基本達成共識:即橢圓形截面是最優(yōu)的伸縮臂截面形式，這已經(jīng)與竹子的莖桿外形非常相似。從宏觀角度來看，伸縮臂截面外形的改進過程就是逐步模仿竹子莖稈圓柱形外觀的過程。反過來，如果把竹子莖桿當作完美設(shè)計對象，這也解釋了為什么傳統(tǒng)的伸縮臂設(shè)計發(fā)展到橢圓截面后，就停滯不前——已達到比較完美的程度。于是，本文創(chuàng)新性地從微觀層面出發(fā),研究竹子莖桿中維管束的分布方式，進一

2、步對伸縮臂截面做仿生設(shè)計，然后利用ANSYS Workbench作為有限元計算、優(yōu)化工具，證明了該仿生思想的有效性，主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過相似性分析，確定了起重機伸縮臂與竹子具有一定的相似度，滿足仿生設(shè)計的基本條件;然后，就竹子的力學特性、微觀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的關(guān)系做了詳細的研究;提取出竹子微觀結(jié)構(gòu)的核心思想——分層，將其與伸縮臂具體情況結(jié)合，進行伸縮臂的仿生設(shè)計，產(chǎn)生了雙層伸縮臂截面，內(nèi)、外層形狀相同（或者不同）的設(shè)計思

3、路;最后，根據(jù)相應的判定依據(jù)，確定內(nèi)、外均為八邊形的雙層仿生型伸縮臂為本文重點比較的基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地將竹子微觀結(jié)構(gòu)運用在伸縮臂截面設(shè)計上。
　　(2)在ANSYS Workbench的Geometry模塊中，基于相同的工況對仿生型和傳統(tǒng)型伸縮臂進行幾何建模;然后，在Static Structural模塊中，基于相同的網(wǎng)格劃分參數(shù)、相同的載荷與約束、相同的求解條件對兩種伸縮臂進行有限元分析;通過提取計算結(jié)果中相應的強度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)仿生型

4、伸縮臂在最大應力、最大應力附近區(qū)域的平均應力、伸縮臂非重疊部分整體應力指標上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)型伸縮臂;通過提取計算結(jié)果中相應的剛度參數(shù)和局部穩(wěn)定性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)仿生型伸縮臂的性能仍然優(yōu)于傳統(tǒng)型伸縮臂;由此，證明了本文基于竹子微觀結(jié)構(gòu)的仿生思想對提高伸縮臂性能的有效性。
　　(3)基于ANSYS Workbench的Design Explorer模塊，對仿生型伸縮臂進行了適當?shù)膬?yōu)化。在伸縮臂內(nèi)、外板厚的優(yōu)化中，以內(nèi)、外板厚為自變量，以最大

5、應力附近區(qū)域的內(nèi)、外板局部平均應力差最小作為優(yōu)化目標，優(yōu)化中采用中心組合設(shè)計方法建立優(yōu)化樣本點，完全二次多項式擬合法建立響應面，Screening方法進行優(yōu)化迭代。通過對比優(yōu)化前、后的平均應力差，證明:適當優(yōu)化伸縮臂內(nèi)、外板厚，能有效降低兩者的應力差，使材料得到更充分的利用。在加勁肋厚度的優(yōu)化中，分別以強度和局部穩(wěn)定性為指標，設(shè)計了相應的有限元分析模型，其中令加勁肋厚度在5mm～20mm之間每隔1mm生成一個計算點，然后，統(tǒng)計分析伸縮臂

6、強度和局部穩(wěn)定性的變化趨勢，其結(jié)果表明，加勁肋厚度對伸縮臂的局部穩(wěn)定性影響不大，但伸縮臂強度隨著加勁肋厚度單調(diào)遞增。
　　(4)對加勁肋系統(tǒng)的布置做了初步探究。在關(guān)于加勁肋角度的探討中，首先根據(jù)伸縮臂的實際工作情況以及整體穩(wěn)定性因素，選定在腹板設(shè)置不同角度的加勁肋;然后，建立5組模型，其加勁肋走向與伸縮臂中心線分別成0度、30度、45度、60度、90度夾角。通過ANSYS Workbench的分析計算，發(fā)現(xiàn)加勁肋走向與伸縮臂中心線