基于有限元的塔式起重机空间桁架结构拓扑优化设计

作     者：敬正彪 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡天友;廖多常

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：空间桁架 底盘 塔身标准节 ANSYS Workbench 拓扑优化 

摘      要：拥有自重轻,但是造价相对低并且施工简单等优点的空间桁架结构近年来在工程中获得广泛的应用,同时在工程建设中的作用也越来越显著。虽然空间桁架具备自重轻的特点,但若对空间桁架结构进行深度优化设计,能够使结构在满足设计要求的前提下更大限度的节省原材料、降低生产成本,这些对积极响应建设节约型社会、同时提倡绿色建设是有着重要的显示意义。空间桁架的结构优化研究经历了尺寸、形状、拓扑以及组合几个阶段的发展,现阶段学者们研究的方向多数集中在满足工程需求前提下来降低工程造价为目的的,而在众多结构的优化设计研究中,对结构进行拓扑优化的实现难度最大。其中,结构拓扑优化研究多采用均匀化的研究方法,同时软件ANSYS Workbench中的拓扑优化Shape Optimization模块也正是基于该方法开发的。基于Workbench软件平台,建立连续体的数学模型,不同的工况载荷作为设定加载条件的依据,得到各杆优化后的布局方案,最后对利用Workbench进行拓扑优化设计时必须要注意的一些问题加以总结。塔式起重机是重要的工程机械,课题以塔机上主要的空间桁架结构作为研究对象,对其进行静力学分析、动态特性分析及优化分析。塔机底盘结构、塔身标准节结构是塔机的重要部分,也是塔机上典型的空间桁架类结构。以往的研究主要偏向于塔机整机、起重臂及平衡臂的研究,对固定塔身的研究较少,尤其对于超大型塔机而言,常常会出现因担心结构静强度不够而加大材料用量,反而造成材料利用率低的现象。借助有限元软件分析塔机主要桁架结构,完成结构强度校核后,对结构动态特性和结构优化问题展开探索。结果表明,塔身结构、底盘结构均满足设计要求,同时鉴于结构应力均小于许用应力,还存在可优化空间,且结构受力不均,出现局部应力集中现象,对结构进行相应的优化。最后,分析了改进的结构,验证了优化结果的正确性和可靠性,使其能应用与工程实际。