大型造船门式起重机轻量化设计研究
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摘要
大型造船门式起重机作为船坞区分段合拢必不可少的起重设备,近几年有着向超大跨度、超大起重量方向发展的趋势。设计中如何有效减轻自重,对整机造价的节省显得尤为重要。设计中我们采取了有限元分析的方法对整机结构进行优化,取得了初步的成效,同时对已完工的起重机进行应力测试,并将测试结果与有限元计算结果进行比较,验证所建模型的准确性,并对以后的分析提出改进建议。最后在满足整机强度与刚度要求的前提下,对主梁结构进行了优化。
本文首先简要介绍了CAE的应用状况与发展趋势,阐述了有限元法的理论基础以及有限元分析软件ANSYS,然后利用ANSYS软件对江南长兴800t×201m造船门式起重机的整体结构进行了典型工况的静力学有限元仿真分析,并且对该起重机进行了实际的静态电测试验。从理论分析和实际测量两个方面全面评价了江南长兴800t×201m造船门式起重机的刚度与强度。通过理论分析数据与实际测量数据的对比,验证了该起重机有限元模型的准确性。
论文详细叙述了800t×201m造船门式起重机的整体结构有限元模型的建立及优化过程。对自重状态、工作状态以及非工作状态进行了整机结构静力分析。并且应用电阻应变片测量技术,对起重机静态工况进行了应力测试。
理论分析以及实际的电阻应变片测试获得的数据显示:800t×201m造船门式起重机整体结构强度与刚度满足要求,局部可进行优化。
理论分析的应力数据与实际测量数据的对比结果表明,两者具有较高的一致性,本文建立的该起重机整体结构有限元模型是基本准确的,其分析结果是真实可信的,该模型可以作为对本台门式起重机整体结构进行各种力学特性分析研究的基础。
The large-scale shipbuilding gantry crane, which is essential for hull segment gathering together, is developed more large span and greater rising weight in the past few years. Reducing structure weight is specially important to reduce the cost of the crane. Finite element method was adopt to analyze the whole structure, and then, the stress distribution on the crane was tested using strain electric method and compared to the finite element method 's calculation result, the accuracy of the model was verified. Finally, the main beam structure was optimized under the condition of strength and stability restriction.
On the basis of reviewing and summarizing the recent application and development of this subject, the lightweight design study of large-scale shipbuilding gantry crane. The research in the following aspects has been carried out:
In Chapter III and IV, the analysis of whole gantry crane structure using ANSYS software was considered. The geometry and finite element model were founded and 18 calculation cases were considered including working situation and non-working situation.
In Chapter V, the strain detection of whole gantry crane structure using resistance method was presented. Total 57 points at 6 sections were tested. The results were then compared to the analytical results .
In Chapter VI, the optimization of the main beam structure using ANSYS OPT module was considered. The total main beam weight decreased 3.58% under the condition of strength and stability restriction.
The comparison between analytical results using finite element method and detecting results using resistance method indicated that the analytical results are very closed to the detecting results. It proved the numerical model established in this thesis are exact and the analytical results are creditable.
本文首先简要介绍了CAE的应用状况与发展趋势,阐述了有限元法的理论基础以及有限元分析软件ANSYS,然后利用ANSYS软件对江南长兴800t×201m造船门式起重机的整体结构进行了典型工况的静力学有限元仿真分析,并且对该起重机进行了实际的静态电测试验。从理论分析和实际测量两个方面全面评价了江南长兴800t×201m造船门式起重机的刚度与强度。通过理论分析数据与实际测量数据的对比,验证了该起重机有限元模型的准确性。
论文详细叙述了800t×201m造船门式起重机的整体结构有限元模型的建立及优化过程。对自重状态、工作状态以及非工作状态进行了整机结构静力分析。并且应用电阻应变片测量技术,对起重机静态工况进行了应力测试。
理论分析以及实际的电阻应变片测试获得的数据显示:800t×201m造船门式起重机整体结构强度与刚度满足要求,局部可进行优化。
理论分析的应力数据与实际测量数据的对比结果表明,两者具有较高的一致性,本文建立的该起重机整体结构有限元模型是基本准确的,其分析结果是真实可信的,该模型可以作为对本台门式起重机整体结构进行各种力学特性分析研究的基础。
The large-scale shipbuilding gantry crane, which is essential for hull segment gathering together, is developed more large span and greater rising weight in the past few years. Reducing structure weight is specially important to reduce the cost of the crane. Finite element method was adopt to analyze the whole structure, and then, the stress distribution on the crane was tested using strain electric method and compared to the finite element method 's calculation result, the accuracy of the model was verified. Finally, the main beam structure was optimized under the condition of strength and stability restriction.
On the basis of reviewing and summarizing the recent application and development of this subject, the lightweight design study of large-scale shipbuilding gantry crane. The research in the following aspects has been carried out:
In Chapter III and IV, the analysis of whole gantry crane structure using ANSYS software was considered. The geometry and finite element model were founded and 18 calculation cases were considered including working situation and non-working situation.
In Chapter V, the strain detection of whole gantry crane structure using resistance method was presented. Total 57 points at 6 sections were tested. The results were then compared to the analytical results .
In Chapter VI, the optimization of the main beam structure using ANSYS OPT module was considered. The total main beam weight decreased 3.58% under the condition of strength and stability restriction.
The comparison between analytical results using finite element method and detecting results using resistance method indicated that the analytical results are very closed to the detecting results. It proved the numerical model established in this thesis are exact and the analytical results are creditable.
引文
[1] Theocaris PS,A general yield criterion for engineering materials Depending on void with growth,Mechanica,1986(1)
[2] Tirupathi R. Chandrupatla,Ashok D.Belegundu. Introduction to Finite Elements in Engineering(Third Edition).北京:清华大学出版社,2006。
[3] O.C.Zienkiewicz,R.L.Taylor. The Finite Element Method (5th Edition).北京:清华大学出版社,2008
[4] E.h.Lee and D.t.Liu ,finite strain elastic-plastic theory particularly for plane wave analysis , J.Appl.Phys.,38,1967
[5]龚曙光、谢桂兰. ANSYS操作命令与参数化编程.北京:机械工业出版社, 2004。
[6]王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践.西安:西北工业大学出版社, 1999。
[7]任重. ANSYS实用分析教程.北京:北京大学出版社, 2003。
[8]龚曙光. ANSYS工程应用实例解析.北京:机械工业出版社, 2003。
[9]唐兴伦. ANSYS工程应用教程.北京:中国铁道出版社, 2003。
[10]博嘉科技.有限元分析软件: ANSYS融会与贯通.北京:中国水利水电出版社, 2002。
[11]刘国庆、杨庆东. ANSYS工程应用教程.北京:中国铁道出版社, 2003。
[12]刘涛、杨凤鹏.精通ANSYS.北京:清华大学出版社, 2002。
[13]夸克工作室.有限元分析基础篇ANSYS与Matlab.北京:清华大学出版社, 2002。
[14]洪庆章、刘清吉、郭嘉源. ANSYS教学范例.北京:中国铁道出版社, 2002。
[15]龚曙光. ANSYS基础应用及范例解析.北京:机械工业出版社, 2003。
[16]余伟炜、高炳军. ANSYS在机械与化工装备中的应用(第二版).北京:中国水利水电出版社, 2007。
[17]博弈创作室. APDL参数化有限元分析技术及其应用实例.北京:中国铁道出版社, 2006。
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[19]刘鸿文. ANSYS工程计算应用教程.北京:中国铁道出版社, 2003。
[20]陈昆,陈定方. ANSYS在起重机结构设计中的应用探讨,装备制造技术,2008。
[21]叶先磊、史亚杰. ANSYS工程分析软件应用实例.北京:清华大学出版社, 2003。
[22]任正义,朱云龙,董元跃, 480t×122m龙门起重机设计总结,造船工业建设,上海,2000.
[23]朱云龙,茅金龙, 300t×116m大型造船门式起重机金属结构设计总结,造船工业建设,上海,1999.
[24]杨宝林,徐长生,基于APDL参数化的汽车起重机车架结构分析,起重运输机械,北京,2008
[25]孙焕纯等,离散变量结构优化设计,大连,大连理工大学出版社,1995
[26]孙显彬,赵雷,唐洪伟,遗传算法和神经网络组合求解离散变量结构优化问题,起重运输机械,北京,2007
[27]蔡东升,刘荣桂,李建康,大型发电机定子吊装用横梁结构有限元分析,起重运输机械,北京,2007
[28]贺玲,500t双梁门式起重机,起重运输机械,北京,2007
[29]刘雯雯,吴功平,肖晓晖,龙滩水电站20t缆索起重机结构有限元分析,起重运输机械,北京,2006
[30]黄长征,谭建平,大型钢结构件有限元力学分析方法研究,起重运输机械,北京,2006
[31]张质文,虞和谦,王金诺等,起重机设计手册,北京,中国铁道出版社,1997
[32]任会礼,李江波,高崇仁,基于ANSYS的塔式起重机臂架有限元参数化建模与分析,起重运输机械,北京,2006
[33]方子帆,舒刚,朱大林,大跨度箱形梁的有限元计算分析,起重运输机械,北京,2006
[34]张俊,夏立新,毕勇,二维调节架支撑钢架的有限元分析,机械设计与制造,2005
[35]王小慧,程文明,杨春松,起重机金属结构有限元分析的模型处理技术,起重运输机械,北京,2006
[36]王金诺,赵永翔等,现代设计理论与方法在起重运输机械中的应用和展望,起重运输机械,北京,1997
[37]陈晓明等,基于特征的门式起重机CAD方法,太原重型机械学院学报,2000
[38]陈道礼,桥式起重机动态刚性的有限元分析,起重运输机械,北京,2005
[39]杨先勇等,偏轨箱形梁横向加强板焊缝设计对主梁承载能力的影响,起重运输机械,北京,2005
[40]张长荣,王金祥,刘培勇,SDLB120t/40m架桥机的有限元优化,起重运输机械,北京,2006
[41]杜群贵,杜业威,龙门架钢结构有限元分析及其技术处理,起重运输机械,北京,2006
[42]杨朝丽.计算机辅助工程(CAE)发展现状及其应用综述.昆明大学学报,昆明,2003。
[43]毕长春,丁予展,遗传算法在起重机箱形梁主梁优化设计中的应用,起重运输机械,北京,2006(1)
[44]赵正佳,黄洪钟,陈新,优化设计求解的遗传-神经网络新算法研究,西南交通大学学报,2000
[45]吴晓,程文明,王金诺,磁浮轨道结构有限元分析,起重运输机械,北京,2006(2)
[46]郜永杰,轨道结构强度有限元分析,交通运输工程学报,2004(4)
[47]张连文,马新敏,王昊,双吊点塔式起重机臂架整体稳定性计算,起重运输机械,北京,2004(2)
[48]胡宗武,顾迪名,起重机设计计算,北京,北京科技出版社,1989
[49]袁桂芳,高强度螺栓的应力测试,起重运输机械,北京,2004(5)
[50]张如一,应变电测与传感器,北京,清华大学出版社,1999
[51]马霄,利用ANSYS软件分析悬臂起重机金属结构的应力,起重运输机械,北京,2004(5)
[52]徐增丙,李友荣,王志刚,立式吊具右曲杆强度的有限元分析,起重运输机械,北京,2005(7)
[53]北京起重运输机械研究所,GB/T,3811-1983,起重机设计规范,北京,中国标准出版社,1983
[54]《起重机设计手册》编写组,起重机设计手册,北京,机械工业出版社,1980
[55]李皓月、周田鹏、刘相新. ANSYS工程计算应用教程.北京:中国铁道出版社, 2003。
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