大型起重機臂架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷分析.pdf

1、博士學位論文大型起重機臂架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷分析InstabilityLoadAnalysisforLargeScaleBoomStructuresofCranes學l0903009大連理工大學DalianUniversityofTechnology大連理工大學博士學位論文JIlllMIIIIdllllIJllllilliIllllliPllJY2968896摘要大型起重機臂架是一種重載、柔性、細長結(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)的長度通?？梢赃_到幾十米甚至上百米。在重載情況下，結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生大位移，表現(xiàn)出幾何非線性的特點，其平衡路徑追蹤和失穩(wěn)載荷求解等問題一直以來都是分析的難點。隨著現(xiàn)代計算技術(shù)的進步和實際需要的日新月異，使這類結(jié)構(gòu)不斷朝著更稀疏、更細長的方向持續(xù)優(yōu)化。通常而言，結(jié)構(gòu)越細長就越有可能在破壞前發(fā)生失穩(wěn)。此外，由于起重機臂架起重性能分析需要考慮機構(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算這類結(jié)構(gòu)失穩(wěn)載荷的方法。為了高效地求解大型起重機臂架結(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)都是很多標準部件組成的。本文提出一個大型結(jié)構(gòu)的整體分析方案，把設(shè)計階段既有的部件有限元模型作為子結(jié)構(gòu)，通過直接給出不同部件在公共邊界上節(jié)點位移的關(guān)系，將部件界面縫合起來用于整體分析，避免了傳統(tǒng)方法需要構(gòu)造的復雜界面單元，大幅提高了建模效率。大型起重機

4、的臂架結(jié)構(gòu)是由一系列標準臂節(jié)相繼連接而成，具有周期性的特點。因此，應用本文所提的整體分析方案，可以一次性將型號相同的臂節(jié)建立成臂節(jié)單元，模型數(shù)據(jù)可以重復用于不同類型、不同長度的臂架結(jié)構(gòu)分析，節(jié)省了建模時間。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)方法的應用。臂架自重對其穩(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、個節(jié)點上。然后，將臂架以臂節(jié)為單位劃分成多個臂節(jié)單元，在每個臂節(jié)上建立一個隨結(jié)構(gòu)一起運動的局部坐標系，并將交界面節(jié)點定義為邊界節(jié)點。由于臂節(jié)內(nèi)部節(jié)點除重力外不再受其他外力的作用，將內(nèi)部節(jié)點的位移表示成局部位移和坐標系位移的組合，從而將重力做功分解成局部位移對應重力做功和坐標系位移對應重力做功兩部分。在此基礎(chǔ)上，將內(nèi)部節(jié)點的局部位移由邊界節(jié)點的局部位移表示，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，推導了臂節(jié)單元邊界節(jié)點位移和邊界

6、節(jié)點力之間的關(guān)系，得到了由邊界節(jié)點位移參數(shù)描述的臂節(jié)單元廣義節(jié)點力表達式，并解析地給出了節(jié)點力平衡方程的切線剛度陣。本文采用共旋坐標法考慮臂架結(jié)構(gòu)的幾何非線性效應，并將變幅機構(gòu)與臂架結(jié)構(gòu)視為整體系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析，推導了變幅機構(gòu)施加在臂架上的非線性外力。實際工程中，需要對同一類型起重機進行多工況穩(wěn)定性分析，傳統(tǒng)的求解穩(wěn)定性的增量法和各種弧長法在求解效率上難以滿足要求。考慮到起重機的變化載荷只有吊重這一項，本文通過將平衡方程對載荷求導，把