基于ANSYS的大吨位双回转铁路起重机吊臂结构分析与研究
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摘要
本论文借助有限元软件ANSYS探讨、研究了一种新型的铁路救援起重机——大吨位、双回转铁路起重机的吊臂结构。基于德国同类起重机吊臂结构的外形图，提出一个八边形截面吊臂结构的初始方案，称之为仿德国方案，通过ANSYS的分析，对其进行改进，提出了一个新的吊臂结构方案。结果表明新的方案是优于初始的仿德国方案。
论文首先对国内外铁路起重机的现状与发展方向进行了介绍和分析，接着简要地介绍了相关的理论知识——弹性力学和有限元方法，再继续介绍了本论文写作的主要工具ANSYS软件。本论文的主要工作是，首先对大吨位、双回转铁路起重机吊臂的结构进行了探讨，包括了不同截面对吊臂性能的影响，提出了仿德国方案。对三节臂八边形的吊臂进行了分段建模，加载，约束，求解。对初步的方案共分析了其五个危险工况，逐步对模型提出修改，以便于模型能满足各个工况的强度，刚度要求。本论文并对传统的六边形作为截面的吊臂进行了分析，通过对比，很显然得出了八边形截面的吊臂性能优于六边形截面的吊臂。
本文的最后还进行了大吨位、双回转铁路起重机吊臂结构整体分析初探，对吊臂的三段节臂采取了整体建模的方法，对各节臂之间的搭接部分采用节点自由度耦合的方法来模拟吊臂与滑块的相对滑动。其整体分析的结果与分段分析的结果的差别很小，从一个侧面也验证了分段分析结果的可靠性。最后文章进一步提出了对结合吊臂、变幅油缸、转台以及底架结构进行整体分析的研究建议，力图使今后的设计和分析更加准确、可靠。
This paper employs FEA (Finite Element Analysis) software ANSYS to analyze and research on the structure of the liftboom on one new railway crane -large-tonnage and double-revolving railway crane. And analysising some picture of the structure of the liftboom of German's railway crane, this paper gives one new structure of the liftboom with octagon section. Then the structure is analyzed and adjusted, finally one new structure is put forword. It's proved that the new structure is better than the structure imitating German's company.
First this paper introduces the status quo and development orientation, and then introduces some correlative knowledge, e.g. elasticity mechanics theory and FEA theory. Finally, the software ANSYS is introduced in brief. This paper analyzes and studies the structure of liftboom of the large-tonnage and double-revolving railway crane, including the liftboom's capability influence casued by different sections, putting forward a imitation German's company,modeling separately three liftbooms with octagon section, also loading, restricting, solving one by one. Regaring the imitation German's company model, analyzing five dangerous operating modes ,modifying the model gradually in order to make the model meet the intensity and stiffness requirements. This paper also analyzes the traditional liftboom with hexagon section ,through the comparing ,the liftboom's capability of octagon section is better than hexagon section.
In the end of the paper, Analyzing the three liftbooms of railway crane -large-tonnage and double-revolving as an whole., adopting the technology of nodes freedom coupling to simulate relative slippage between liftboom and slide. The result of analysis which considered the three liftbooms as an whole is almost equal to the result of analysis which considered the three liftbooms separately.this also validates the reliability of separate analysis from a side view. Therefore, the paper provides some references and suggests when the structure of large-tonnage and double-revolving railway crane is designed further or modified to make the future design and analysis more reliable, accurate and economic.
论文首先对国内外铁路起重机的现状与发展方向进行了介绍和分析，接着简要地介绍了相关的理论知识——弹性力学和有限元方法，再继续介绍了本论文写作的主要工具ANSYS软件。本论文的主要工作是，首先对大吨位、双回转铁路起重机吊臂的结构进行了探讨，包括了不同截面对吊臂性能的影响，提出了仿德国方案。对三节臂八边形的吊臂进行了分段建模，加载，约束，求解。对初步的方案共分析了其五个危险工况，逐步对模型提出修改，以便于模型能满足各个工况的强度，刚度要求。本论文并对传统的六边形作为截面的吊臂进行了分析，通过对比，很显然得出了八边形截面的吊臂性能优于六边形截面的吊臂。
本文的最后还进行了大吨位、双回转铁路起重机吊臂结构整体分析初探，对吊臂的三段节臂采取了整体建模的方法，对各节臂之间的搭接部分采用节点自由度耦合的方法来模拟吊臂与滑块的相对滑动。其整体分析的结果与分段分析的结果的差别很小，从一个侧面也验证了分段分析结果的可靠性。最后文章进一步提出了对结合吊臂、变幅油缸、转台以及底架结构进行整体分析的研究建议，力图使今后的设计和分析更加准确、可靠。
This paper employs FEA (Finite Element Analysis) software ANSYS to analyze and research on the structure of the liftboom on one new railway crane -large-tonnage and double-revolving railway crane. And analysising some picture of the structure of the liftboom of German's railway crane, this paper gives one new structure of the liftboom with octagon section. Then the structure is analyzed and adjusted, finally one new structure is put forword. It's proved that the new structure is better than the structure imitating German's company.
First this paper introduces the status quo and development orientation, and then introduces some correlative knowledge, e.g. elasticity mechanics theory and FEA theory. Finally, the software ANSYS is introduced in brief. This paper analyzes and studies the structure of liftboom of the large-tonnage and double-revolving railway crane, including the liftboom's capability influence casued by different sections, putting forward a imitation German's company,modeling separately three liftbooms with octagon section, also loading, restricting, solving one by one. Regaring the imitation German's company model, analyzing five dangerous operating modes ,modifying the model gradually in order to make the model meet the intensity and stiffness requirements. This paper also analyzes the traditional liftboom with hexagon section ,through the comparing ,the liftboom's capability of octagon section is better than hexagon section.
In the end of the paper, Analyzing the three liftbooms of railway crane -large-tonnage and double-revolving as an whole., adopting the technology of nodes freedom coupling to simulate relative slippage between liftboom and slide. The result of analysis which considered the three liftbooms as an whole is almost equal to the result of analysis which considered the three liftbooms separately.this also validates the reliability of separate analysis from a side view. Therefore, the paper provides some references and suggests when the structure of large-tonnage and double-revolving railway crane is designed further or modified to make the future design and analysis more reliable, accurate and economic.
引文
[1]王金诺，于兰峰．起重运输机金属结构．北京：中国铁道出版社，2002年
[2]张质文，刘全德．起重运输机械．北京：中国铁道出版社，1984年
[3]舍费尔等著，范祖尧等译．起重运输机械设计基础[六]．北京：机械工业出版社，1991年
[4]张质文等．起重机设计手册．北京：中国铁道出版社，1998年
[5]尚晓江等．ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用．北京：中国水利水电出版社，2006年
[6]张允真等．弹性力学及其有限元法．北京：中国铁道出版社，1983年
[7]朱学敏．起重机械．北京：机械工业出版社，2003年
[8]柳葆生．液压起重机箱形伸缩臂计算方法研究．成都：西南交通大学
[9]张仲鹏．160t全液压三节伸缩臂式铁路救援起重机．起重运输机械．2002年，12：15-17
[10]靳慧，王金诺，张仲鹏．N100型铁路救援起重机吊臂的有限元设计．起重运输机械．2001年，3：14-16
[11]程文明等．铁路救援起重机的现状与发展方向．铁道货运．1994年，4：42-45
[12]张力群．高原用伸缩臂式铁路救援起重机的研究．内燃机车．2004年，10：11-16
[13]单海云．起重机结构安全性评价系统及基于有限元法的可靠性研究．武汉理工大学．2004年
[14]蒋红旗．高空作业车作业臂有限元结构分析．机械研究与应用．2004年，12：68-69．
[15]王伟璋．起重机金属结构加劲薄板承载能力的试验研究与仿真分析．上海海事大学．2005年
[16]刘凌厉．QTJS160T铁路起重机底架的有限元分析．西南交通大学．2002年
[17]张建辉．基于ANSYS的大吨位双回转铁路起重机转台结构分析与研 究．西南交通大学．2006年
[18]纪爱敏．QY25K型汽车起重机伸缩吊臂的有限元分析．工程机械．2003年，1：19-21．
[19]吴晓，王金诺．SQTJ160型铁路起重机伸缩臂的有限元分析．起重运输机械．1998年，3：3-6．
[20]徐斌．QY25型汽车起重机设计．大连理工大学．2003年
[21]宁怀明等．凿岩机伸缩臂基于ANSYS的有限元分析．西部探矿工程．2006年，12：220-222．
[22]王敏中等．弹性力学教程．北京：北京大学出版社．2002年
[23]Saeed Moaveni著，王崧等译．有限元分析—ANSYS理论与应用[二]．北京：电子工业出版社．2005年
[24]倪庆兴，王殿臣．起重输送机械图册．北京：机械工业出版社．1992年
[25]管彤贤等．起重机典型结构图册．北京：人民交通出版社．1990年
[26]倪庆兴，王焕勇．起重机械．上海：上海交通大学出版社．1990年
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[28]陈晓霞．ANSYS7．0高级分析．北京：机械工业出版社．2004年
[29]刘国庆，杨庆东．ANSYS工程应用教程机械篇．北京：机械工业出版社．2003年
[30]周传月等．工程有限元与优化分析应用实例教程．北京：科学出版社．2005年
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[55]Acoupled meshless-finite element method for fracture analysis of cracks ByRao,BN,Int.J.Preess.Vessels Pip.Vol.78,no.9,pp.647-657,23 Nov 2001