船舶吊机立柱架设计与结构优化.docx
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1、摘要船舶吊机是海面作业的重要机械设备之一,主要对装卸的物品进行搬运。船舶吊机主要由甲板基座、立柱架、起吊臂和控制室等部分组成。立柱架是船舶吊机的基本结构,连接甲板基座和起吊臂,承载了吊机作业的全部负载力矩,根据载荷分布情况,立柱架需要有较好的强度、刚度和稳定性。因此立柱架结构设计的合理性和安全性是保证吊机正常工作的重要条件之一。本文进行了船舶吊机立柱架设计与结构优化的全部过程,通过分析吊机的起吊形式确定工作情况及大致尺寸参数;运用力学和几何学知识建立动力学方程;通过MATLAB进行数值分析,得出各位置下力的变化曲线;进行结构设计,运用SolidWorks软件建立三维模型;将三维模型导入ANSY
2、S Workbench中进行有限元分析和结构优化。本次设计在参考了大量有限元分析案例文献的基础上,综合运用了结构设计、力学计算、MATLAB数值分析、三维建模、ANSYS有限元分析等各方面的知识,是一个完整而有意义的设计过程,既使以前所学的知识得到加强和巩固,又增长了许多新的知识。关键词: 船舶吊机; 有限元分析; 结构优化设计; ANSYS Workbench; MATLABAbstractShip crane is one of the most important mechanical equipment in sea operations,mainly for loading and
3、unloading goods handling.Ship crane mainly consists of a deck base,frame column,lifting arm,a control room and other parts.Frame column is basic structure of ship crane,which is connected to the deck base and the lifting arm,carrying all the load torque of the hoisting machine,and according to the d
4、istribution of the load,frame column need to have better strength,rigidity and stability.Therefore,the rationality and safety of the column frame structure design is one of the important conditions to ensure the crane normal work.In this paper,the whole process of the design and structure optimizati
5、on of the ship crane is carried out.Through the analysis of the crane lifting form to determine the conditions and approximate size parameters;Dynamic equations are established by using the knowledge of mechanics and geometry;Numerical analysis is carried out by MATLAB,and to get the output of the c
6、hange curve;Structural design,using SolidWorks software to build three-dimensional model;and then three dimensional model is introduced into workbench ANSYS to be carried out finite element analysis and structural optimization.Based on in reference to a large number of finite element analysis of the
7、 literature,this design comprehensively used of structural design,mechanical calculation,MATLAB numerical analysis,three-dimensional modeling,ANSYS finite element analysis and other aspects of knowledge,which is a complete and meaningful design process,even if previously learned knowledge has been s
8、trengthened and consolidated,and a lot of new knowledge is increased.Key words :Ship Crane ;Finite Element Analysis ;Structural Optimization Design ;ANSYS Workbench ;MATLAB目 录1绪论51.1 课题研究的背景51.1.1 船舶吊机简介51.1.2 课题的国内外研究现状61.1.3 数值分析与有限单元法61.1.4 有限元法的发展71.1.5 优化设计与拓扑优化71.1.6 ANSYS workbench在静态结构分析中的运用
9、81.2 课题研究的目的和意义92船舶吊机立柱架的结构设计102.1 课题的设计内容102.1.1 课题名称102.1.2 设计内容112.2 船舶吊机的受力分析122.2.1 船舶吊机的工作状况介绍122.2.2 简化模型122.2.3 给定参数132.2.4 受力分析132.3 MATLAB数值分析152.3.1 目标函数152.3.2 约束条件152.3.3 最优解的搜索152.3.4 求解结果及其分析162.4 立柱架的结构设计182.4.1 立柱架整体外形的初步确立182.4.2 立柱架的设计222.5 建立立柱架三维模型283船舶吊机立柱架的有限元分析293.1 立柱架整体的有限元
10、分析293.1.1 有限元模型293.1.2 材料参数303.1.3 设计载荷303.1.4 边界条件323.1.5 计算结果及分析323.2 立柱的有限元分析363.3 立柱支撑架的有限元分析374船舶吊机立柱架的优化设计38设计总结39参考文献40致谢42附录AMATLAB程序43附录B二维工程图45附录C三维模型46附录DANSYS载荷步47附录E立柱架图纸清单481 绪论1.1 课题研究的背景本课题来源于生产实践,其研究对象是船舶吊机立柱架。立柱架是船舶吊机的基础结构,底部与甲板基座相连接,上部通过一个大的回转轴支撑定滑轮,通过钢丝绳与起吊臂相连接。而在作业过程中,物品及吊机臂架的力最
11、终都将作用在立柱架上,根据载荷分布情况,立柱架需要有较好的强度、刚度及稳定性1。因而,立柱架的结构设计合理是保证吊机正常工作的重要条件之一。同时,船舶吊机的工作场所在船上,考虑到船舶的承载能力,吊机整体不能太重,而立柱架结构占据了吊机的大部分重量,因此,立柱架的设计要保证在满足其使用性能的情况下尽量减少材料、节约成本。结构是工程应用中的一个非常重要的环节,结构设计的不合理可能会导致构件承载能力不足或者造成材料的大量浪费2。结构的优化设计以数学中的最优化理论为基础,并以计算机辅助为手段,从多种设计方案中选出最佳的方案的一种设计方法。它根据设计所追求的性能目标来建立目标函数,在满足给定的各种约束条
12、件的要求下,进行结构方面(如重量最轻、成本最低、刚度最大等方面)的调整,以此来寻找最优的设计方案。而对于像立柱架这样复杂和大型结构件的优化设计,其分析方法的基本定位是:以有限元计算为基本手段,以最优化算法为搜索导向,通过数值计算的方法得以实施,综合以上分析方法,设计出满足强度、刚度、稳定性的立柱架结构。1.1.1 船舶吊机简介船舶吊机又称船用起重机,也称为克林吊,是船上重型的机械设备,主要装卸船上和码头上的集装箱货物。船舶吊机按照吊臂形式分为:直臂式、伸缩臂式、折臂式三种类型。按照动力来源可以分为:手动吊机、电动吊机、液压吊机三种类型。船舶吊机是一种技术含量很高的集电、液、机一体化的船舶起重设
13、备,在使用过程中,需要具有一定专业知识的技术人员操作,也需要按要求对其进行日常的维护3。船用起重机中固定旋转起重机的应用是最广的,它可以单独或者成对地在船只左右舷进行作业。起重量为35吨。在多用途船上要求单吊能吊起20英尺集装箱,双吊能吊起40英尺集装箱,其起重量可以达到2530吨。甲板起重机是装在船舶上甲板上的机械。因其结构紧凑,因此船舶上有较多的甲板面积可以利用,而且对桥楼上视线的影响较小。甲板起重机具有操作简便、装卸效率高、机动灵活等特点,因而应用日益广泛。1.1.2 课题的国内外研究现状船舶吊机的机械部分主要由立柱架、起吊臂、钢丝绳、定滑轮组成,吊机在工作过程中,立柱架和起吊臂铰接,简
14、化模型为刚性桁架结构4。桁架结构有限元分析MATLAB提出,目前在刚性桁架结构设计中普遍采用的方法是按理想铰接模型进行计算,并根据计算出的杆件所受的外力,按照第三或者第四强度理论来设计杆件截面,再对杆件进行应力分析计算和强度校核。对于类似桁架结构的应力分析,可以使用结构力学中的结点法和截面法,另外还有有限元方法5。 在基于MATLAB的起重机吊重二自由度摆角模型动态仿真中,对起重机建立的吊重二自由度摆角模型具有普遍的通用性。针对普遍适用的非线性动力学二自由度摆角模型,并应用广义坐标下的拉格朗日方程进行分析,得出摆角随吊索长度及起吊速度的非线性关系;再通过MATLAB的仿真,通过改变单一变量,得
15、到了定加速度时不同吊索长度、定吊索长度不同加速度下吊重摆角及角速度的变化规律6。1.1.3 数值分析与有限单元法在科学技术领域,对于许多力学问题和物理问题,人们已经得到了它们应该遵循的基本方程(通常为常微分方程或偏微分方程)和相应的定解条件。但能用解析方法求出求出精确解的只是少数性质比较简单,且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题,由于方程某些特征的非线性性质,或由于求解区域的几何形状比较复杂,不能得到解析的答案。对于这类问题,解决方法一般有两种。一是引入简化假设,将几何形状和边界条件简化为解析法能处理的情况,从而得到简化状态下的解答。但这种方法的运用有限,也可能因为过多的简化而得到错误的解
16、答。因此多年来人们寻找和发展了另一种解决途径数值解析法8。数值分析方法可以分为两类:一类是以有限差分法为代表,特点是直接求出基本方程和相应定解条件的近似解。另一类是首先建立和原问题基本方程和相应定解条件相等效的积分提法,然后据之建立近似解法。上述两种方法虽然得到不同领域的运用,但也只能限于几何形状规则的问题,对于几何形状复杂的问题,不可能建立合乎要求的近似函数。因而出现了有限单元法。有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合,且单元本身又有不同的形状,因此可以模型化几何形状复杂的求解域。因此,有限单元法对求解
17、形区域的几何形状没有要求,对于力学和其他物理问题有很好的通用性。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为有效的工程分析手段。有限单元法的基本步骤一般为:离散化、单元分析、计入边界条件和求解有限元方程、后处理计算。有限单元法随着单元数的增加,几单元尺寸的缩小,或者单元自由的增加及插值函数的精度的提高,解的近似程度也将不断改进,如果单元是满足收敛要求的,近似解最后将收敛于精确解9。1.1.4 有限元法的发展有限元法的运用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题,由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹
18、性、粘塑性和复合材料等,从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已从分析和校核扩展到优化设计和计算机辅助设计技术相结合10。可以预见,随着现代力学、计算数学和计算机科学技术的不断发展,有限元法作为一个具有巩固理论基础和广大应用效力的数值分析工具,必将在各个领域中发挥更加大的作用,其自身也将有更好的发展。从如今CAE技术的发展情况看,有限元法的发展趋势如下:(1) 与CAD软件的无缝集成(2) 强大的网格处理能力(3) 增强可视化的前置建模和后数据处理问题(4) 由求解线性问题发展到求解非线性问题(5) 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解(6) 在WINTEL平
19、台上的发展1.1.5 优化设计与拓扑优化优化设计是从多种方案中选择最佳方案的设计方法。它以数学中的最优化理论为基础,以计算机为手段,根据设计所追求的性能目标,建立目标函数,在满足给定的各种约束条件下,寻求最优的设计方案。ANSYS提供了零阶方法和一阶方法两种优化方法,可以有效处理大多数工程问题11。拓扑优化是指形状优化(也称为外形优化),其目的是寻找载荷作用下的物体最佳材料分配方案(最大刚度设计)。拓扑优化的原理是在满足结构体积缩减量的条件下使结构的柔度极小化。极小化的结构柔度实际就是要求结构的刚度最大化。ANSYS提供的拓扑优化技术用于确定系统的最佳几何形状(其原理是系统材料发挥最大利用率)
20、,同时确保整体刚度、自振频率等在满足工程要求的条件下获得极大或极小值。1.1.6 ANSYS workbench在静态结构分析中的运用Workbench是ANSYS公司开发的新一代协同仿真环境,其集设计、仿真、优化、网格变形等功能于一体,对各种数据进行项目协同管理;支持CADCAE间的双向参数传输功能;具有复杂装配件接触关系的自动识别、接触建模功能;先进的网格处理功能;可对复杂的几何模型进行高质量的网格处理;支持几乎所有ANSYS的有限元分析功能;自带可定制的工程材料数据库,方便编辑、运用;易学易用。ANSYS workbench的分析过程为:初步确定、前处理、加载并求解、后处理。其静态结构分
21、析流程如下:(1) 确定结构分析方案(2) 定义模型的材料属性(3) 创建几何模型(4) 创建有限元模型(5) 分析设置与求解(6) 查看与评估求解结果1.2 课题研究的目的和意义本次毕业设计在参考了大量的有限元分析文献的基础上,需要综合运用结构设计、力学计算、MATLAB数值分析、三维建模、ANSYS有限元分析等各方面的知识,是一个完整而有意义的设计过程,既能使以前所学的知识得到了加强和巩固,又能增长许多新的知识。本次毕业设计以船舶吊机立柱架设计与结构优化为案例,参考了50吨吊机有限元分析报告的部分参数确定工况,运用形状优化确定大致形状,使用SolidWorks建模进行结构设计,运用ANSY
22、S对立柱架结构做有限元分析并做优化结构设计。通过毕业设计这个过程,了解机械结构设计及优化的基本过程;学习和掌握ANSYS软件的原理和运用;进行系统和全面地设计方法、实验方法和研究方法的基本训练;培养综合运用所学基础知识、专业理论解决实际问题的能力;进一步掌握制图、力学、建模、有限元分析、数值分析、计算机应用等基本技能。我们在课本中所学的知识远远只是知识海洋中的冰山一角,在巩固所学理论知识的同时,还应具有快速准确地搜索、学习和吸纳新知识、新理论、新方法的能力,并能学以致用,提高学习和实践能力,为经后的研究生学习和工作打下良好的基础。2 船舶吊机立柱架的结构设计2.1 课题的设计内容2.1.1 课
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- 船舶 立柱 架设 结构 优化
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