基于结构仿生的塔式起重机臂架优化设计研究

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1、基于结构仿生的塔式起重机臂架优化设计研究摘要随着我国起重机等重型机械制造业的迅猛发展，在满足起重机起升高度更高、起升重量更大的前提下，如果起重机的自身重量更轻，就会更易于安装和运输，以此降低运行成本。塔式起重机主要采用桁架结构，其力学性能优势十分显著。因此，合理地对塔机桁架结构进行优化设计，有效分配载荷，使其各杆件能够更大限度地承受载荷，对最终减轻起重机结构重量是十分有意义的。本文以QTZ40塔式起重机臂架结构为研究对象，基于结构仿生优化设计思想，对臂架结构进行了仿生优化设计。论文主要内容如下：（1）首先介绍了桁架结构优化理论的研究概况，简述了起重机桁架式臂架结构优化设计的研究现状和发展趋势

2、，引入了结构仿生设计思想，阐述了结构仿生的概念及研究现状，分析了结构仿生的三大理论基础、基本流程和相似性评价标准。（2）简要介绍了塔式起重机臂架的基本参数和构型规律，利用APDL语言建立臂架的有限元模型，并利用ANSYS对臂架进行了静力学分析，得到臂架的最大位移、最大应力，并对分析结果进行了校核。为了更好的了解臂架的结构特性，本文采用ANSYS中的BlockLanczos方法对臂架进行了模态分析，并提取了前四阶模态固有频率。（3）结合相似性评价标准，确定王莲为仿生原型，并结合植物形态学，研究、分析王莲叶脉的构型规律，发现其符合黄金分割定律，即生物界中存在的“鲁德维格定律”，结合黄金分割定律对

3、仿生原型进行了简化，利用ANSYSWorkbench分析软件对臂架进行拓扑优化，结合臂架拓扑优化结果确定了臂架的仿生优化设计方案。（4）建立了仿生臂架的有限元模型，并对仿生结构进行静力学分析和模态分析，分析结果显示，仿生模型较原模型在减重、强度、刚度、稳定性等方面取得了较好的优化效果，结果证明结构仿生设计方法在起重机桁架式臂架结构的优化设计中确实有效可行。关键字：塔式起重机，臂架，结构仿生，王莲，黄金分割OptimizationDesignofTowerCraneBoomBasedonStructuralBionicMethodAbstractWiththerapiddevelopmento

4、fcranesandotherheavymachinerymanufacturingindustry,underthepremisethatcranecanhoisthigherheightandliftgreaterweight,ifthecraneitselfislighter,itwillbemoreeasiertoinstallandtransport,therebyreducingtheoperatingcosts.Trussstructureiswidelyusedintowercranedesignbecauseofitsoutstandingmechanicalpropert

5、iesadvantages.Therefore,therationaloptimizationdesignoftrussstructureisverymeaningfultoultimatelyreducetheweightofthecranestructure,whichcandistributetheloadeffectivelyandmakeeachrodbearthemaximumload.Inthisarticle,taketheQTZ40towercraneboomstructureasresearchobject,usingthestructuralbionicmethodto

6、conducttheoptimizationoftheboom.Themaincontentsareasfollows:(1)Ithasintroducedtheoverviewofthetrussstructureoptimizationtheoryandtheresearchstatusanddevelopmenttrendofthecraneboomtrussstructureoptimizationdesign.Introducedthestructuralbionicdesign,explainedtheconceptandresearchstatusofthestructural

7、bionic,analyzedthreebasestheoretical,processesandsimilarityevaluationcriteriaofthestructuralbionic.(2)Brieflyintroducedthebasicparametersandconfigurationslawofthetowercraneboom.Weestablishedfiniteelementmod