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1、博士學(xué)位論文大型起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷分析InstabilityLoadAnalysisforLargeScaleBoomStructuresofCranes學(xué)l0903009大連理工大學(xué)DalianUniversityofTechnology大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文JIlllMIIIIdllllIJllllilliIllllliPllJY2968896摘要大型起重機(jī)臂架是一種重載、柔性、細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由于具有起重量大、吊起高度高、工
2、作幅度多樣、臂節(jié)組合靈活等優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于高空吊裝行業(yè),是主要的承載部件。臂架結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度通??梢赃_(dá)到幾十米甚至上百米。在重載情況下,結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大位移,表現(xiàn)出幾何非線性的特點(diǎn),其平衡路徑追蹤和失穩(wěn)載荷求解等問(wèn)題一直以來(lái)都是分析的難點(diǎn)。隨著現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)際需要的日新月異,使這類(lèi)結(jié)構(gòu)不斷朝著更稀疏、更細(xì)長(zhǎng)的方向持續(xù)優(yōu)化。通常而言,結(jié)構(gòu)越細(xì)長(zhǎng)就越有可能在破壞前發(fā)生失穩(wěn)。此外,由于起重機(jī)臂架起重性能分析需要考慮機(jī)構(gòu)約束、多工況和自重等因素,
3、因此迫切地需要一種高效地計(jì)算這類(lèi)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷的方法。為了高效地求解大型起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)的臨界載荷,本文在高效建模方法和失穩(wěn)載荷快速求解方法等方面進(jìn)行了研究和探討?,F(xiàn)在的大型工業(yè)設(shè)備或者建筑結(jié)構(gòu)都是很多標(biāo)準(zhǔn)部件組成的。本文提出一個(gè)大型結(jié)構(gòu)的整體分析方案,把設(shè)計(jì)階段既有的部件有限元模型作為子結(jié)構(gòu),通過(guò)直接給出不同部件在公共邊界上節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系,將部件界面縫合起來(lái)用于整體分析,避免了傳統(tǒng)方法需要構(gòu)造的復(fù)雜界面單元,大幅提高了建模效率。大型起重機(jī)
4、的臂架結(jié)構(gòu)是由一系列標(biāo)準(zhǔn)臂節(jié)相繼連接而成,具有周期性的特點(diǎn)。因此,應(yīng)用本文所提的整體分析方案,可以一次性將型號(hào)相同的臂節(jié)建立成臂節(jié)單元,模型數(shù)據(jù)可以重復(fù)用于不同類(lèi)型、不同長(zhǎng)度的臂架結(jié)構(gòu)分析,節(jié)省了建模時(shí)間。部件界面縫合方法也可以用于其他大型結(jié)構(gòu)的有限元分析,節(jié)省了整體結(jié)構(gòu)建模的工作量,拓展了子結(jié)構(gòu)方法的應(yīng)用。臂架自重對(duì)其穩(wěn)定性分析有很大的影響。為了建立考慮重力影響的臂節(jié)單元,本文首先通過(guò)引入重力載荷影響系數(shù)矩陣,把重力離散到臂節(jié)結(jié)構(gòu)的每
5、個(gè)節(jié)點(diǎn)上。然后,將臂架以臂節(jié)為單位劃分成多個(gè)臂節(jié)單元,在每個(gè)臂節(jié)上建立一個(gè)隨結(jié)構(gòu)一起運(yùn)動(dòng)的局部坐標(biāo)系,并將交界面節(jié)點(diǎn)定義為邊界節(jié)點(diǎn)。由于臂節(jié)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)除重力外不再受其他外力的作用,將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的位移表示成局部位移和坐標(biāo)系位移的組合,從而將重力做功分解成局部位移對(duì)應(yīng)重力做功和坐標(biāo)系位移對(duì)應(yīng)重力做功兩部分。在此基礎(chǔ)上,將內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的局部位移由邊界節(jié)點(diǎn)的局部位移表示,提出了考慮重力影響的臂節(jié)內(nèi)部自由度減縮方法。接著,推導(dǎo)了臂節(jié)單元邊界節(jié)點(diǎn)位移和邊界
6、節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系,得到了由邊界節(jié)點(diǎn)位移參數(shù)描述的臂節(jié)單元廣義節(jié)點(diǎn)力表達(dá)式,并解析地給出了節(jié)點(diǎn)力平衡方程的切線剛度陣。本文采用共旋坐標(biāo)法考慮臂架結(jié)構(gòu)的幾何非線性效應(yīng),并將變幅機(jī)構(gòu)與臂架結(jié)構(gòu)視為整體系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析,推導(dǎo)了變幅機(jī)構(gòu)施加在臂架上的非線性外力。實(shí)際工程中,需要對(duì)同一類(lèi)型起重機(jī)進(jìn)行多工況穩(wěn)定性分析,傳統(tǒng)的求解穩(wěn)定性的增量法和各種弧長(zhǎng)法在求解效率上難以滿(mǎn)足要求。考慮到起重機(jī)的變化載荷只有吊重這一項(xiàng),本文通過(guò)將平衡方程對(duì)載荷求導(dǎo),把
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