基于竹子截面微觀結(jié)構(gòu)的鐵路起重機(jī)伸縮臂仿生設(shè)計(jì).pdf

1、鐵路救援起重機(jī)的伸縮臂截面從最初的矩形，經(jīng)過(guò)梯形、多邊形、大圓角矩形的不斷演變，目前基本達(dá)成共識(shí):即橢圓形截面是最優(yōu)的伸縮臂截面形式，這已經(jīng)與竹子的莖桿外形非常相似。從宏觀角度來(lái)看，伸縮臂截面外形的改進(jìn)過(guò)程就是逐步模仿竹子莖稈圓柱形外觀的過(guò)程。反過(guò)來(lái)，如果把竹子莖桿當(dāng)作完美設(shè)計(jì)對(duì)象，這也解釋了為什么傳統(tǒng)的伸縮臂設(shè)計(jì)發(fā)展到橢圓截面后，就停滯不前——已達(dá)到比較完美的程度。于是，本文創(chuàng)新性地從微觀層面出發(fā),研究竹子莖桿中維管束的分布方式，進(jìn)一

2、步對(duì)伸縮臂截面做仿生設(shè)計(jì)，然后利用ANSYS Workbench作為有限元計(jì)算、優(yōu)化工具，證明了該仿生思想的有效性，主要內(nèi)容如下:
　　(1)通過(guò)相似性分析，確定了起重機(jī)伸縮臂與竹子具有一定的相似度，滿足仿生設(shè)計(jì)的基本條件;然后，就竹子的力學(xué)特性、微觀結(jié)構(gòu)以及兩者之間的關(guān)系做了詳細(xì)的研究;提取出竹子微觀結(jié)構(gòu)的核心思想——分層，將其與伸縮臂具體情況結(jié)合，進(jìn)行伸縮臂的仿生設(shè)計(jì)，產(chǎn)生了雙層伸縮臂截面，內(nèi)、外層形狀相同（或者不同）的設(shè)計(jì)思

3、路;最后，根據(jù)相應(yīng)的判定依據(jù)，確定內(nèi)、外均為八邊形的雙層仿生型伸縮臂為本文重點(diǎn)比較的基礎(chǔ)，創(chuàng)新性地將竹子微觀結(jié)構(gòu)運(yùn)用在伸縮臂截面設(shè)計(jì)上。
　　(2)在ANSYS Workbench的Geometry模塊中，基于相同的工況對(duì)仿生型和傳統(tǒng)型伸縮臂進(jìn)行幾何建模;然后，在Static Structural模塊中，基于相同的網(wǎng)格劃分參數(shù)、相同的載荷與約束、相同的求解條件對(duì)兩種伸縮臂進(jìn)行有限元分析;通過(guò)提取計(jì)算結(jié)果中相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)，發(fā)現(xiàn)仿生型

4、伸縮臂在最大應(yīng)力、最大應(yīng)力附近區(qū)域的平均應(yīng)力、伸縮臂非重疊部分整體應(yīng)力指標(biāo)上均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)型伸縮臂;通過(guò)提取計(jì)算結(jié)果中相應(yīng)的剛度參數(shù)和局部穩(wěn)定性參數(shù)，發(fā)現(xiàn)仿生型伸縮臂的性能仍然優(yōu)于傳統(tǒng)型伸縮臂;由此，證明了本文基于竹子微觀結(jié)構(gòu)的仿生思想對(duì)提高伸縮臂性能的有效性。
　　(3)基于ANSYS Workbench的Design Explorer模塊，對(duì)仿生型伸縮臂進(jìn)行了適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。在伸縮臂內(nèi)、外板厚的優(yōu)化中，以內(nèi)、外板厚為自變量，以最大

5、應(yīng)力附近區(qū)域的內(nèi)、外板局部平均應(yīng)力差最小作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化中采用中心組合設(shè)計(jì)方法建立優(yōu)化樣本點(diǎn)，完全二次多項(xiàng)式擬合法建立響應(yīng)面，Screening方法進(jìn)行優(yōu)化迭代。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前、后的平均應(yīng)力差，證明:適當(dāng)優(yōu)化伸縮臂內(nèi)、外板厚，能有效降低兩者的應(yīng)力差，使材料得到更充分的利用。在加勁肋厚度的優(yōu)化中，分別以強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性為指標(biāo)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的有限元分析模型，其中令加勁肋厚度在5mm～20mm之間每隔1mm生成一個(gè)計(jì)算點(diǎn)，然后，統(tǒng)計(jì)分析伸縮臂

6、強(qiáng)度和局部穩(wěn)定性的變化趨勢(shì)，其結(jié)果表明，加勁肋厚度對(duì)伸縮臂的局部穩(wěn)定性影響不大，但伸縮臂強(qiáng)度隨著加勁肋厚度單調(diào)遞增。
　　(4)對(duì)加勁肋系統(tǒng)的布置做了初步探究。在關(guān)于加勁肋角度的探討中，首先根據(jù)伸縮臂的實(shí)際工作情況以及整體穩(wěn)定性因素，選定在腹板設(shè)置不同角度的加勁肋;然后，建立5組模型，其加勁肋走向與伸縮臂中心線分別成0度、30度、45度、60度、90度夾角。通過(guò)ANSYS Workbench的分析計(jì)算，發(fā)現(xiàn)加勁肋走向與伸縮臂中心線