桥式起重机小车架轻量化设计研究.pdf

图书分类号 TH215 密级非密
UDC 注 1

硕士学位论文
桥式起重机小车架轻量化设计研究

杨芬


指导教师(姓名、职称) 王宗彦教授
申请学位级别工学硕士
专业名称机械制造及其自动化
论文提交日期________年______月______日
论文答辩日期________年______月______日
学位授予日期________年______月______日
论文评阅人
答辩委员会主席_______________________


2013 年 4 月 24 号
注 1:注明《国际十进分类法 UDC》的分类
原创性声明

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桥式起重机小车架轻量化设计研究
摘要
轻量化技术是指采用优化结构、优选材料、优选加工方法等方式,减轻机械零部件
或整机的质量,从而达到提高产品性能、降低成本、节能减排等综合效益的一项技术。
我国生产的桥式起重机大都具有太大的安全系数,这样导致材料浪费,产品结构笨重。
本文以 32/160t 桥式起重机小车架为研究对象,结合轻量化设计的基础理论,得出
小车架的轻量化设计方案;然后建立了小车架参数化结构模型,通过对模型有限元分析
表明小车架轻量化的可行性和必要性;最后对小车架进行结构拓扑优化,并在优化结果
基础上进行了尺寸与形状优化设计,得到小车架轻量化的最终模型。
介绍了小车架参数化设计系统,细致的描述了系统所生成的参数化模型各部件的主
要尺寸,并在此基础上对模型进行简化处理,然后从单元类型、材料属性到网格划分介
绍了小车架有限元模型的建立,最后充分利用 Ansys 有限元分析软件对小车架进行了模
态分析和静力学分析。模态分析和静力学分析从整体到局部,对小车架的结果进行分析
比较,为后续优化设计奠定基础。
采用均匀化方法,以卷筒梁和组合梁为分析对象,将其柔度作为优化目标,体积为
约束条件进行拓扑优化。探讨拓扑优化设计过程中,从基本模型建立、优化区域选择、
优化过程控制及优化结果分析与应用等问题。然后在得出的拓扑结构的基础上,综合考
虑工艺、装配关系等设计要求,对小车架进行了尺寸及形状优化设计,并对每次优化结
果进行校核,最后得到了小车架轻量化模型,并对最终模型作了强度、刚度即稳定性校
核,实现减重 ,减轻的重量占原车架模型重量的 %。
结果证明减重后的小车架不仅强度和刚度性能满足材料要求,而且安全性能更适应
工作环境。实现了拓扑优化在桥式起重机小车架结构设计过程中的应用。有限元计算结
果存在误差,但对结构设计方案阶段有很好的指导意义。
关键词:小车架,轻量化设计,模态分析,静力学分析,拓扑优化
Lightweight Design and Research for the Trolley Frame of
Overhead Traveling Crane
Author:Yang Fen
Tutor:Wang Zongyan
Abstract
Lightweight technology prehensive benefit of technology which refers to optimize
the structure, optimize materials, optimize processing of machinery parts and whole machine
in order to reducing weight ,improving performance and conserving energy, reducing
emissions, saving cost and so on. Overhead crane in our co