摘要 門座起重機(jī)是一種重要而又具有代表性的旋轉(zhuǎn)類型的有軌運(yùn)行式起重機(jī)，廣泛應(yīng)用 于港口、碼頭貨物的機(jī)械化裝卸，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程機(jī)械化不可或缺的重要設(shè)備。保證其 中的四連桿結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的穩(wěn)定性，是門座起重機(jī)設(shè)計(jì)中極其重要的內(nèi)容。所謂穩(wěn)定性 是指在板的平面內(nèi)，板受到平行于板面的壓力作用，使得板發(fā)生隆起，從而使板的承載 能力逐漸減弱，應(yīng)力重新分配，導(dǎo)致整體破壞。 本文在浙江大學(xué)與上海港機(jī)重工有限公司的合作項(xiàng)目“門座起重機(jī)四連桿結(jié)構(gòu)分析 系統(tǒng)”的研究工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)門座起重機(jī)安全校核的需求，針對港機(jī)廠目前門機(jī)使 用的狀況，對門機(jī)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性分析做了若干研究工作。本文的主要研究 內(nèi)容如下： 總結(jié)了國內(nèi)外穩(wěn)定性分析的研究現(xiàn)狀，提出了合理計(jì)算和分配載荷是穩(wěn)定性分析的 重要的影響因素。并根據(jù)門機(jī)實(shí)況，重新定義載荷分類，歸納載荷計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)算法 基礎(chǔ)上，對超越方程的算法進(jìn)行了優(yōu)化和擴(kuò)充，并給出擬合方程。 比較當(dāng)前世界上主要起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)所采用的起升動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算方法，討論計(jì)算 起升動(dòng)載系數(shù)的模型并對港機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范相應(yīng)部分提出修改意見。 歸納四連桿結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性計(jì)算方法及影響岡素，以臂架為示例構(gòu)件，以構(gòu)件應(yīng) 力為目標(biāo)函數(shù)，變幅幅度和臂架單元數(shù)為約束函數(shù)建立應(yīng)力分析模型，尋找對構(gòu)件 破壞或影響最大的情況；通過分析載荷和步幅的變化情況，尋找應(yīng)力變化的規(guī)律。 并對校核公式的不同進(jìn)行了結(jié)果對比，分析了簡化公式的可行性和準(zhǔn)確性。 為了確保構(gòu)件不發(fā)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象，本文在歸納局部穩(wěn)定性的計(jì)算方法的同時(shí)，分 析了相關(guān)的影響因素；并且根據(jù)構(gòu)件的特性提出了優(yōu)化思想，提出母板計(jì)算方法， 并把計(jì)算過程均化為區(qū)格的驗(yàn)算。 關(guān)鍵詞：門座起重機(jī)，四連桿結(jié)構(gòu)，載荷計(jì)算，整體穩(wěn)定性，局部穩(wěn)定性 a b s t r a c t p o r t a lc r 肌e ，w h i c hi sa 1 1i m p o n a i l ta i l dr e p r c s 鋤t a t i v er o t a t i o nt y p eo fr a i lo p e r a t i n gc r a n e s ，i s w i d e l yu s e di nm em e c h a i l i z e dl o a d i n ga 1 1 du n l o a d i n gi n t h ep o r t ni sa ni n d i s p e n s a b l e e q u i p m e n tt oa c h i e v em c c h a i l i z a t i o no fp r o d u c t i o n ni sp i mo fd e s i g no fp o r t a lc 砌e st o g u a 砌t e et l l es t 昌l b i l 時(shí)o ff o u r l i n k 咖c t u r e 柚dc o m p o n e n t s c o n c 印t i o no fs t 曲i l i t yi st h a t ：a b o a r dr e c e i v e dt h ep r e s s u r ew h i c hi so nm eb o a r do fp l a l l e 鯽dp a r a l l e lt oi t t h ep r c s s u r e b e n d st h eb 0 盯da i l dw e a k e n si t sc 鋤叫n gc 印a c i t yg r a d u a l l y 舢lr e d i s 研b u t et l l es t r e s s 卸d r e s u l ti no v e r a l ld 鋤a g e b a s e do nt h ec o o p e r a t i v ep r o j e c tb e m e e i lt l l ei i l s t i t u t eo fp m c e s se q u i p m e n ta i l d c o 的1e n 舀n e e f i n gi nz h e j i 觚gu i l i v e r s i t ya n ds h a f l 曲a ip o r tc o l t d ，“p o n a lc r a n e a m l y s i ss y s t 鋤o ff o u r - 1 i n ks t m c t t l i ，t h i sd i s s e r t “i o ne x p l o r e st h es y s t e mo fl o a d c a l c u l a t i o na 1 1 dg c a k l i t ya n a l y s i s t h em a i nc o n t e n to f t h ed i s s e n a t i o ni sp r e s e ma sf o l l o w s ： s u m m a r i z c dt l l es t a t u so fs t a b i l i qb o t l la th o m ea n da b m a da l l di n d i c a t e dm a tl o a d c a l c u l a t i o np l a y sa 1 1i m p o r t a mm l ei nm ea j l a l y s i so fs t a b i l i t y r e d e f i n e dt h el o a dc l a s s ， s u m m e du pt h ee x p 嘶e n c em e t h o d o p t i m i z e dt h ea r i t h m e t i co f 咖s c e n d e n t a lo q u a t i o n a i l dp r e s e n t e da n 印p r o x i i i l a t ec a i c u l a t i o nf o r n l u l a 夸 c o m p a r e dm ec a l c u l a t i o nm e t l l o d so fd ”a m i ch o i s t i n gl o a dc o e m c i e n ti ns o m em a i n d e s i 印 s t a n d a r d so fc r a l l e sn o w a d a y sa r o u n dt h ew o r l d d i s c u s s e dt h em o d e lo f c a l c u l a t i o na 1 1 dg a v eas u g g e s t i o nt ot h ed e s i 印c r i t e r i o no fs h a i l 曲a ip o nc o l t d s 眥m e du pt h em e a i l so ft o t a ls t a b i l i t yc a l c u l a t i o na i l df a c t o r sf o rf b w - l i n ks t m c t u r e e s t a b l i s h e dt h ea n a l y s i sm o d e lo f 螄s u p p o n ，w h i c ht r e a t e dt h es t r e s sa st a r g e tv a l u ea n d s t 印e x t e n ta 1 1 dn u m b e ro fc e l l s 船r e s 砸c t i o n 血n c t i o n t h r o u 曲t h em o d e lw ec a i lf i n d o u tt l l em o s td a l l g e r o u ss i t u a t i o na i l dg e ts o m em l e so fs 仃e s sd i v e r s i f i c a t i o n v a l i d a t e d m e v e r a c i t yo f c o m p a c tf o m l u l at h r o u g ht h ec o n 仃a s to f r e s u l t 專 s u m m e du pt h em e a j l so f1 0 c a ls t a b i l i t yc a l c u l a t i o na 1 1 df a c t o r s i l lo r d e rt oa v o i dn e c t i o n s ， t l l i sd i s s e r t a t i o ng a v e 鋤叩t i m i z e di d e at ob u i l dam o t h e r b o a r dm o d e la 1 1 dp r e d i g e s tt o c o u n t 舒d k e y w o r d s ： p o r t a lc r a l l e ，f o u 卜l i n ks t r u c t i l r e ，l 0 a dc a l c u l a t i o n ，t o t a ls t a b i l i t y ， l o c a ls t a b 訂i t v i i 浙江人學(xué)壩 學(xué)位論義門 j ! 起葷機(jī)u u j 芏桿站構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析研究 聲明 本論文原題目為四連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析研究，經(jīng)評閱人評定并提出修改 建議，修訂為門座起重機(jī)四連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析研究，特此聲明。 s t a t e m e n t t t l ea u t h o rh e r e b c e r 【i 行e dm a tt h e 嘶百n a lt i t l e 吼er e s e a r c ho fs t a b i l i t ya n a l y s i so f f o u 卜l i i l l 【s t n l c t u r ec 0 m p o n c n t ”h a db e e nc h 鋤g e di n t o “1 1 1 er e s e 砌o f s t a b i l i t ya n a l ”i s 0 ff o * 1 砒s t m c t u r ec o m p o e n to fp o n a lc m e ”，a c c o r d i n gt ot h er e 私o n a b l ea d v i c e 舶m t l l er e f b r c e s 浙江人學(xué)顫i 。學(xué)位論文一f l 此起蓖機(jī)u q 連桿 構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定他分析研究 第一章緒論 1 1 問題的提出 1 1 1 i - 座起重機(jī)的用途及構(gòu)造 門座起重機(jī)是一種重要而又具有代表性的旋轉(zhuǎn)類型的有軌運(yùn)行式起重機(jī)，它具有能 讓運(yùn)輸車輛順利通過的門架結(jié)構(gòu)而得名?，F(xiàn)代門座起重機(jī)廣泛應(yīng)用于港口、碼頭貨物的 機(jī)械化裝卸，造船廠船舶的施工、安裝以及大型水電站工地的建壩工程中，對于減輕繁 重的體力勞動(dòng)，改善公認(rèn)的操作條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率都具有重大意義，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過 程機(jī)械化不可缺少的重要設(shè)備。 門座起重機(jī)的構(gòu)造分為兩大部分，即上部旋轉(zhuǎn)部分和下部運(yùn)行部分，如圖1 1 所示。 上部旋轉(zhuǎn)部分相對下部運(yùn)行部分可以實(shí)現(xiàn)整周旋轉(zhuǎn)，包括臂架系統(tǒng)、人字架、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、 司機(jī)室等，同時(shí)還安裝有起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。通過起升、變幅、旋轉(zhuǎn)三種 運(yùn)動(dòng)組合可以在一個(gè)環(huán)形圓柱體空間實(shí)現(xiàn)物品的升降。下部運(yùn)行部分主要由門架和運(yùn)行 機(jī)構(gòu)組成。 以起重臂的結(jié)構(gòu)形式為主要標(biāo)志，門座起重機(jī)可以分為四連桿組合臂架式門座起重 機(jī)和單臂架式門座起重機(jī)兩種。前者的最大優(yōu)點(diǎn)在于臂架下面的凈空高度較大，因而在 一定的起升高度要求下，起重機(jī)的總高度可以降低，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、重量較大，而后者 恰恰相反。目前國內(nèi)使用前種型式居多。 門座起重機(jī)的四連桿結(jié)構(gòu)是由象鼻梁、剛性拉桿、臂架以及機(jī)架通過鉸軸組合而成， 以實(shí)現(xiàn)變幅過程中物品的水平移動(dòng)。其中臂架是支承象鼻梁的重要構(gòu)件，其下端通過鉸 軸與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)相連接，中部與變幅傳動(dòng)裝置( 如螺桿、齒條) 、臂架平衡系統(tǒng)相鉸接， 因此臂架是一根懸臂的壓彎構(gòu)件。 1 1 2 門座起重機(jī)的工程背景 2 0 世紀(jì)5 0 年代中期，港口機(jī)械運(yùn)輸在美國脫穎而出，由于其具有安全、高效、廉 價(jià)、貨損小等特點(diǎn)，使得港口運(yùn)輸?shù)玫搅丝焖侔l(fā)展，并迅速發(fā)展成為遠(yuǎn)程運(yùn)輸?shù)闹饕?式。9 5 國際貿(mào)易量是通過港口和海運(yùn)業(yè)承擔(dān)的。門座起重機(jī)作為門座碼頭堆場進(jìn)行裝 卸、搬運(yùn)和堆碼作業(yè)的專用機(jī)械，具有高效利用堆場、堆場建設(shè)費(fèi)用相對較低，機(jī)動(dòng)靈 活，通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)口】。世界上大多數(shù)的港口所使用的門座起重機(jī)如圖1 2 所示。 嘲 i 戳媾簿弩囊黑 浙江凡學(xué)預(yù)f ，學(xué)位論業(yè)門膻起荸機(jī)p q 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定分析 l j l _ 究 而在施工過程中塌落的事故。從上可以看出，鋼結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定問題足鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主 要問題，一旦出現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)事故，不但對經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重的損失，更會(huì)造成人員的 傷亡，所以在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一定要把握好這一關(guān)。k o h a k o b a 曾分析前蘇聯(lián)在1 9 5 1 1 9 7 7 年期間所發(fā)生的5 9 起重大鋼結(jié)構(gòu)事故中，有1 7 起事故是屬于結(jié)構(gòu)的整體或局部失穩(wěn)。 【4 1 然而并非所有的失穩(wěn)事故都是由于設(shè)計(jì)錯(cuò)誤所致，制造和安裝或使用不當(dāng)也可能引發(fā) 失穩(wěn)事故。前蘇聯(lián)古比雪夫列寧冶金廠鍛壓車陽j 在1 9 5 7 年末有七起鋼屋架連同屋蓋突 然塌落，原因就是長度相同的一對拉桿和壓桿在裝配過程中顛倒了，壓桿承載力降低的 幅度超過了3 0 而提前屈曲| 5 i 。 強(qiáng)度、剛度、疲勞以及穩(wěn)定性作為綜合評估門機(jī)結(jié)構(gòu)安全的四個(gè)主要方面，由于對 其認(rèn)知的時(shí)間及投入的精力，相關(guān)理論的支持等不同，各評估系統(tǒng)也稍有差異。強(qiáng)度和 剛度方面的評估可以在起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊上查到；疲勞評估也由于最近階段研究相對較多 而日趨完善；但對穩(wěn)定性的評估更多地還是停留在經(jīng)驗(yàn)上的。這一方面由于國內(nèi)外在穩(wěn) 定性領(lǐng)域研究相對較少，另一方面針對大型起重機(jī)械的穩(wěn)定性問題又存在著特殊性：既 要考慮到整體失穩(wěn)，又要考慮局部失穩(wěn)，還要考慮到兩者之間的聯(lián)系，相互影響的程度 等等。雖然現(xiàn)在的大型起重機(jī)械單獨(dú)整體失穩(wěn)的現(xiàn)象較少，但是由于局部失穩(wěn)和由于局 部加勁肋脫離腹板而引起局部失穩(wěn)并最終導(dǎo)致整體失穩(wěn)的現(xiàn)象還時(shí)有發(fā)生。 對受壓、受彎和受剪等存在受壓區(qū)的構(gòu)件或板件，如果技術(shù)上處理不當(dāng)，可能使鋼 結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體失穩(wěn)或局部失穩(wěn)。失穩(wěn)前結(jié)構(gòu)的變形可能很微小，突然失穩(wěn)使結(jié)構(gòu)的幾何 形狀急劇改變而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完全雀失抵抗能力，以致整體塌落。除了巨大的經(jīng)濟(jì)損失外， 更重要的是人員傷亡，這將給使用單位帶來了巨大的損失。因此，對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究 具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意義m i 。 1 1 3 薄板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能好壞是決定其承載能力的一個(gè)重要因素。近幾十年來，在研究發(fā) 揮鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能的潛力和完善穩(wěn)定計(jì)算的理論方面，國內(nèi)外都取得了長足的進(jìn)步。例 如完善鋼結(jié)構(gòu)的彈塑性穩(wěn)定理論，研究有幾何缺陷和殘余應(yīng)力的鋼結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力的同 時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性能的試驗(yàn)驗(yàn)證，以及將理論研究結(jié)果利用圖表表示或演化為實(shí)用計(jì)算公 式，并將彈塑性穩(wěn)定理論用于解決鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的問題都取得了豐碩成果。包括我國在 內(nèi)的世界上許多國家，最近1 0 年都相繼修訂了鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范。在這些規(guī)范中均反 映了新的研究成果。 浙 【人學(xué)壩1 。學(xué)位論文門座起重機(jī)p u 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定忤分析研究 薄板結(jié)構(gòu)局部勺整體屈曲的相互作用問題的研究工作開始于5 0 年代，由于問題的復(fù) 雜性，其分析幾乎一直局限在彈性范圍內(nèi)：同時(shí)，由于采用了各種各樣的計(jì)算假定，使 分析結(jié)果具有較大的近似性。近年來關(guān)于薄壁結(jié)構(gòu)局部屈曲與整體屈曲相關(guān)作用問題的 研究工作已取得了不少的進(jìn)展。綜述前人的研究成果，其分析方法主要有近似方法和數(shù) 值方法兩大類： 1 8 世紀(jì)中葉問世的歐拉公式，為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)奠定了穩(wěn)定分析的理論基礎(chǔ)。但它只 是解決了完善直桿沿軸線受壓時(shí)在彈性范圍的臨界力。當(dāng)應(yīng)力超過比例極限，材料進(jìn)入 彈塑性時(shí)，歐拉公式就不再適用。但它奠定了彈性系統(tǒng)平衡穩(wěn)定理論的基礎(chǔ)【”，為后來 學(xué)者對柱、梁和剛架等構(gòu)件的一維屈曲問題的研究和板的二維屈曲問題的研究指明了方 向。在經(jīng)典的薄板理論和彈性穩(wěn)定理論中，對于扳的小撓度彎曲理論、大撓度彎曲理論 以及薄板的彈性穩(wěn)定都己作了相當(dāng)?shù)难芯?，形成了較成熟的觀點(diǎn)。 對于薄板的穩(wěn)定性，俄國力學(xué)科學(xué)家鐵摩辛科于1 9 0 7 年研究了矩形板在其中面上受 力的彈性穩(wěn)定問題，對各種邊界條件作了精確計(jì)算，編制了應(yīng)力臨界值表，用以解決海 軍艦船中發(fā)生的一些結(jié)構(gòu)問題。g l b r v a n 研究四邊簡支的受壓矩形板壓屈問題，得到 了計(jì)算臨界壓應(yīng)力值公式，這是第一次從理論上研究受壓板的穩(wěn)定。1 9 1 5 年，針對船舶 制造中常常遇到的使用一組縱向或橫向加勁加強(qiáng)的均勻受壓矩形板，鐵摩辛科用能量法 求解加勁薄板的l 臨界值。并進(jìn)一步研究后于1 9 3 6 年出版了彈性穩(wěn)定理論?！? i 在國內(nèi)，我國科技工作者在箱形薄板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面也作了很多卓有成研究工作， 并在各自的領(lǐng)域推廣應(yīng)用相應(yīng)的研究成果。 榮國瑞| 9 l 將應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)與有限元計(jì)算相結(jié)合，提出了一種對箱形薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行局 部穩(wěn)定性分析的方法。任偉新、曾慶元。j 兩位學(xué)者在鋼壓桿局部和整體相關(guān)屈曲極限承 載力工程分析方法上首次提出有限彈塑性系數(shù)增量初應(yīng)力法，特別是塑性系數(shù)法進(jìn)行材 料非線性分析。所得到的工字型截面鋼壓桿局部與整體相關(guān)屈曲極限承載力數(shù)值分析結(jié) 果，對于很好地理解相關(guān)屈曲有重要的意義。 上海海事大學(xué)碩士研究生以起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)箱形截面的受壓翼緣板作為研究對象 】，將其簡化為四邊簡支的加勁薄板，運(yùn)用加載試驗(yàn)和有限元分析相結(jié)合的方法，對板 的局部穩(wěn)定性機(jī)理進(jìn)行了有益的探索。 實(shí)際問題總是比理論模型要復(fù)雜得多，鋼結(jié)構(gòu)的最大承載力要受到很多因素的影 響。諸如邊界支承條件、屈曲情況、焊接殘余應(yīng)力、初始缺陷形式、屈服應(yīng)力以及加勁 4 浙江凡學(xué)碗l 。學(xué)位論文門座起苣機(jī)p u 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定件分析研究 肋的尺寸和形狀等都會(huì)顯著影響板的最大承載能力。其中很多涉及非線性理論。 從板的非線性力學(xué)理論的奠基人v o n k a 丌n a n 開始，國外許多學(xué)者如s m i t h 、g i l b e n 、 v 鋤d c r n e u t 、w i n t e r 及國內(nèi)的不少學(xué)者都對有初曲率的薄板結(jié)構(gòu)的承載特性進(jìn)行了卓有 成效的研究，并在k a l a i l 提出了板的有效寬度概念后，使該領(lǐng)域的研究進(jìn)入了一個(gè)新 階段?！? 2 】 近代板殼穩(wěn)定性理論主要研究臨界點(diǎn)形態(tài)及后屈曲平衡路徑問題，特別是k o i t e r 理論解釋了不少屈曲的重要現(xiàn)象。n o n l p s o n 提出廣義坐標(biāo)原理，采用攝動(dòng)法建立離散 模型，為后屈曲數(shù)值分析開辟了途徑。 到目前為止，可以說對于薄板的局部屈曲問題和彈性整體屈曲問題研究已經(jīng)相當(dāng)成 熟了。對于壓桿的彈塑性整體屈曲問題，已經(jīng)有很多有效的數(shù)值方法。但是這些研究普 遍存在這樣的問題：將結(jié)構(gòu)整體屈曲與局部屈曲分開考慮。分析結(jié)構(gòu)整體屈曲時(shí)，不考慮 局部構(gòu)件( 如實(shí)腹梁、薄壁柱中的板件等) 屈曲，分析局部屈曲時(shí)，不考慮結(jié)構(gòu)的整體工 作，并假定局部構(gòu)件的邊界條件。忽略結(jié)構(gòu)局部屈曲與整體屈曲的相互作用，這樣就不 可避免地帶來一些問題： 當(dāng)設(shè)計(jì)載荷遠(yuǎn)小于壓桿按整體屈曲確定的容許載荷時(shí)，壓桿截面的大小仍由板件的 容許寬厚比確定，常導(dǎo)致壓桿材料的浪費(fèi)。 鋼壓桿進(jìn)行穩(wěn)定設(shè)計(jì)時(shí)，按局部屈曲載荷與整體屈曲臨界載荷相等的原則設(shè)計(jì)的結(jié) 構(gòu)通常被認(rèn)為是最優(yōu)的，其穩(wěn)定極限承載力一般也是由不考慮相關(guān)屈曲作用的局部穩(wěn)定 分析或整體穩(wěn)定分析分別確定的。但現(xiàn)代分析以及早前的k o i t e r 和v a n d e r n c r t 等對均勻 受壓的薄壁柱和加勁板殼的相關(guān)屈曲研究表明：按“等穩(wěn)定性”設(shè)計(jì)的這類結(jié)構(gòu)對初始 缺陷較為敏感，而初始缺陷會(huì)顯著地降低結(jié)構(gòu)的極限承載力。實(shí)際結(jié)構(gòu)的初始缺陷又是 不可避免的。 對某些結(jié)構(gòu)，不考慮局部屈曲與整體屈曲的相關(guān)作用，會(huì)過高估計(jì)結(jié)構(gòu)的承載力， 使設(shè)計(jì)偏于危險(xiǎn)并可能導(dǎo)致失穩(wěn)。而對某些受力情況，如雙向偏心受壓構(gòu)件的彎扭屈曲 問題，現(xiàn)有的不考慮局部與整體相關(guān)屈曲作用的數(shù)值方法所得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間 仍有很大的差距。 近似分析方法的基礎(chǔ)是有效寬度法，各國現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)一般都是以有效寬度法為 基礎(chǔ)的。由于此法是建立在均勻受壓板件的屈曲后效應(yīng)基礎(chǔ)上的，對于實(shí)際結(jié)構(gòu)中不均 勻受壓板件套用有效寬度概念，必然會(huì)產(chǎn)生有效寬度如何分布和取值等一系列難以解決 浙江人學(xué)顧i 學(xué)位論文門座起醇機(jī)p q 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定件分析研究 的問題，給設(shè)計(jì)結(jié)果帶來一定的誤差。 h a i l c o c k 在有效寬度法基礎(chǔ)上發(fā)展出有效剛度法，考慮了受壓板的非線性剛度和板 的初始幾何缺陷，給出的設(shè)計(jì)公式不需要迭代，提高了有效寬度法的精度和適用性。 l o u 曲a n 提出了壓桿局部與整體相關(guān)屈曲問題的修正彎曲剛度的柱子微分方程法，在分 析中只考慮柱子跨中的局部屈曲波段與整體彎曲的關(guān)系，由于是基于柱子的微分方程， 很難推廣到塑性范圍。 近似分析方法都是基于一些傳統(tǒng)假定得到的，所得結(jié)果的精度和適用范圍均有一定 的限制。但由于近似法相對比較簡單，計(jì)算工作量小，所得到的設(shè)計(jì)公式便于應(yīng)用，且 均有一定的試驗(yàn)驗(yàn)證，仍有它的優(yōu)越性。 1 2 研究的目的和方法 1 2 1 論文研究目的 在國際貿(mào)易同益發(fā)展的今天，起重機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性和安全性被提上議事日程，安全事 故的不時(shí)發(fā)生令業(yè)界覺得有必要對起重機(jī)械的穩(wěn)定性進(jìn)行深層次研究的重要意義。對門 座起重機(jī)而言，其鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與強(qiáng)度、剛度和疲勞具有同等的地位，甚至更加重要。 然而，在現(xiàn)階段的工程應(yīng)用來看，對其穩(wěn)定性的計(jì)算和評估更多的還是停留在依靠手算 和經(jīng)驗(yàn)公式之上。事實(shí)上，對于實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)，必定存在著不同程度的一些缺陷( 如仞始 撓度、彎曲和焊接殘余應(yīng)力等1 ，對這種結(jié)構(gòu)依照一些經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行手算必然存在這樣 那樣的假設(shè)，而且對整個(gè)結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定和整體穩(wěn)定性需要分別進(jìn)行考慮，有可能對結(jié) 果估計(jì)不足或出現(xiàn)過于保守的設(shè)計(jì)，大大影響其安全性和經(jīng)濟(jì)性。 近年來，有限元技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)屈曲分析方面得到了一定的應(yīng)用，使我們對于一些具 有復(fù)雜幾何形狀、載荷和約束狀況的結(jié)構(gòu)的分析變得更加簡單，結(jié)果也更趨于合理。本 論文研究的目的就是通過對門座起重機(jī)上一種典型箱形結(jié)構(gòu)的整體和局部穩(wěn)定性進(jìn)行 分析，找出這種結(jié)構(gòu)在受壓狀態(tài)下整體和局部失穩(wěn)的模態(tài)形式及極限載荷狀態(tài)。為工程 上類似結(jié)構(gòu)的屈曲分析提供一定的依據(jù)。 2 0 世紀(jì)8 0 年代末以來，國內(nèi)有限元軟件自主開發(fā)并處于領(lǐng)先地位的有北京農(nóng)業(yè)機(jī) 械化科學(xué)研究院的m a s 和大連理工大學(xué)力學(xué)系的d d j w 。國家在2 0 世紀(jì)9 0 年代對 有限元軟件的技術(shù)先進(jìn)性、使用的方便可靠性和應(yīng)用的推廣性等內(nèi)容的兩次次評比中， 北京農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院的m a s 系統(tǒng)都名列前茅，并還多次列入國家“自然科技基 會(huì)”項(xiàng)目。上海港機(jī)廠從1 9 8 6 年以來也一直在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該軟件。特別對桿系 6 浙江人學(xué)頒 學(xué)位論立門件起重甘l 連軒結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定件分析州宄 結(jié)構(gòu)的計(jì)算比其他許多有名氣的軟件如a n s y s 、n a s t r a n 、s p 5 等在使用上更符合用 戶的要求。m a s 梁單元的7 自由度約束翹曲特性更是貼合用戶的實(shí)際。但由于計(jì)算機(jī) 的更新?lián)Q代，港機(jī)廠迫切需要同步更新此類有限元分析系統(tǒng)。 此次是依托上海市科委2 0 0 7 年度“創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目制造業(yè)信息化支撐項(xiàng)目， 上海港機(jī)重工有限公司和浙江大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的“門座起重機(jī)四連桿結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)”來完 成本論文的課題研究。是以n xu g s 為載體，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)門機(jī)結(jié)構(gòu)的要求，二次開發(fā) 前后處理的程序。本文就該系統(tǒng)的載荷模塊和穩(wěn)定性分析模塊的計(jì)算結(jié)果對四連桿結(jié)構(gòu) 的穩(wěn)定性做一個(gè)較為全面的分析和研究。 1 2 2 研究四連桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的方法 我們以門座起重機(jī)的四連桿結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為研究對象，運(yùn)用n xn 嬲t r 鋤屈曲分析技 術(shù)，先對其加載載荷進(jìn)行分析，然后就整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，從而尋找出構(gòu)件在不同幅 度，不同工況下的極限承載力。以屈曲分析結(jié)果為依據(jù)，構(gòu)造以構(gòu)件應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù)的 整體穩(wěn)定性模型，就專用有限元分析系統(tǒng)得出的結(jié)果進(jìn)行對比，先是同一幅度下，不同 類別載荷組合對應(yīng)力模型的影響；然后得出不同幅度不同工況下，構(gòu)件臂架的應(yīng)力變化 趨勢。以此結(jié)果束正確評估何種工況是最危險(xiǎn)工況，以便我們更好地預(yù)防系統(tǒng)整體失穩(wěn) 的情況發(fā)生。 同理，除了校核整體穩(wěn)定性，局部穩(wěn)定性對于構(gòu)件而苦也是十分重要的。為此我們 以典型的薄壁箱形變截面梁的構(gòu)件臂架的局部穩(wěn)定性計(jì)算實(shí)例來說明添加加勁肋以增 強(qiáng)板的穩(wěn)定性是一個(gè)有效的手段。 1 2 3 研究四連桿結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的內(nèi)容 本文就是在以n xu g s 的解算器n 船t r a n 為依托開發(fā)的專用有限元分析系統(tǒng)的基礎(chǔ) 上，通過對載荷模塊和穩(wěn)定性模塊的計(jì)算方法研究和算法優(yōu)化，完成對四連桿結(jié)構(gòu)的穩(wěn) 定性進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。本文主要研究最大幅度為3 0 m ，最小幅度9 5 m 的1 6 3 8 門座 起重機(jī)的四連桿結(jié)構(gòu)的局部和整體穩(wěn)定性問題。 門座起重機(jī)作為常用的港口散貨裝卸機(jī)械，其設(shè)計(jì)的可靠性程度不僅具有重要的意 義更是具有實(shí)際的研究價(jià)值。四連桿結(jié)構(gòu)作為門座起重機(jī)的重要組成結(jié)構(gòu)和主要工作部 件，對其進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析是十分必要的。根據(jù)其工作特征，從其可能承受的載荷 入手，對四連桿結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件做穩(wěn)定性研究，對工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 構(gòu)件的穩(wěn)定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度依賴于對四連卡結(jié)構(gòu)有限元分析模型的合理建 7 浙江人學(xué)傾l 學(xué)位論芷門座起醇機(jī)| u 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu) 斗的穩(wěn)定性分析削f 究 立，載荷的合理添加以及邊界條件的處理。對于同一有限元模型的多載荷同步或分批加 載，必須考慮到某些載荷的性質(zhì)，例如慣性載荷必須與構(gòu)件自重相關(guān)聯(lián)：又如載荷的方 向性等。為確保穩(wěn)定性研究的可靠性，在規(guī)范g b t 3 8 1 1 一1 9 8 3 的基礎(chǔ)上，本章節(jié)對門機(jī) 的四連桿結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的載荷做了2 3 種單載進(jìn)行了分類。必須指出的是，針對單種載 荷的分析并非都是具有實(shí)際意義的：因?yàn)槟承﹩屋d的純添加對四連桿結(jié)構(gòu)的運(yùn)作并不會(huì) 產(chǎn)生危險(xiǎn)的影響。同時(shí)，在分析過程中，需要查證取值的準(zhǔn)確性，力求研究結(jié)果的準(zhǔn)確 性和可重復(fù)性。 為此，本文通過結(jié)合特征技術(shù)和載荷分類及計(jì)算，抽取載荷屬性，提供一種新的載 荷分類方法。希望通過對載荷算法的優(yōu)化和分類，使得即使對四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不熟悉的 技術(shù)人員都能準(zhǔn)確地建立有限元模型。 若前處理布置合理，計(jì)算結(jié)果將對后處理的穩(wěn)定性分析和疲勞分析十分有益。因?yàn)?在變幅過程中，四連桿結(jié)構(gòu)在不同幅度的情況下有可能承受不同的載荷組合，可見載荷 對穩(wěn)定性的分析十分重要。為此，在完成整體穩(wěn)定性的計(jì)算前提下，本文將對計(jì)算結(jié)果 計(jì)算分析，包括對如何尋找最大應(yīng)力點(diǎn)和危險(xiǎn)點(diǎn)，如何判斷何種工作狀念是對起重機(jī)最 為不利的。同時(shí)通過對整體穩(wěn)定性建立分析模型，希望能找出一些關(guān)于整體穩(wěn)定性的應(yīng) 力變化規(guī)律，如當(dāng)幅度從小到大變化的時(shí)候，構(gòu)件應(yīng)力與工況的關(guān)系是如何變化的；對 穩(wěn)定性影響的因素又包括哪些；如何能避免四連桿結(jié)構(gòu)由于超載而導(dǎo)致超過臨界應(yīng)力， 最后產(chǎn)生屈曲失穩(wěn)現(xiàn)象。 當(dāng)一個(gè)構(gòu)件滿足整體穩(wěn)定性的要求，并不代表這個(gè)結(jié)構(gòu)就是合格的，因?yàn)檎w穩(wěn)定 性滿足了也可能出現(xiàn)由于局部受力不均而出現(xiàn)局部失穩(wěn)現(xiàn)象。為此，我們還將對局部穩(wěn) 定性進(jìn)行詳細(xì)的分析計(jì)算，并通過四種方法計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行比較，提出在何處添加 隔板的建議。 通過以上對四連桿結(jié)構(gòu)的前后處理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算和分析，將對專用有限元系統(tǒng)的計(jì)算 結(jié)果十分有好處；前處理的載荷分類和計(jì)算將大大降低對設(shè)計(jì)人員的技術(shù)要求，令到此 套系統(tǒng)通用性更強(qiáng)，使用率更高；而后處理的穩(wěn)定性分析將有效地幫助設(shè)計(jì)人員校核前 面的設(shè)計(jì)是否合理，如不合理應(yīng)如何修改。為此，本文的研究內(nèi)容是對工程應(yīng)用是有一 定的參考價(jià)值的。 由于在實(shí)際工程應(yīng)用中，不同的載荷工況對四連桿結(jié)構(gòu)的影響各不相同。同時(shí)，本 文的結(jié)論是建立在“門座起重機(jī)四連桿結(jié)構(gòu)計(jì)算分析系統(tǒng)”的計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上；為此， 浙江人學(xué)頒卜學(xué)位淪史門幢起董機(jī)p u 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析研究 本文將就系統(tǒng)的載荷模塊的分類法則和若干計(jì)算中的優(yōu)化問題進(jìn)行闡述，為后面的箱形 梁截面進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析做鋪摯。 通過優(yōu)化整體穩(wěn)定性的系統(tǒng)算法，利用n 骶t r 獅i ”i 解算器得出的有限元結(jié)果，以構(gòu)件 臂架為實(shí)例進(jìn)行整體穩(wěn)定性分析，闡述如何找出特定工況下的構(gòu)件極限承載力以及最危 險(xiǎn)點(diǎn)。同時(shí)以臂架的整體穩(wěn)定性應(yīng)力結(jié)果建立模型，分析工況和門機(jī)運(yùn)行的步幅變化將 對臂架的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生何種影響：并對不同載荷組合的變化情況結(jié)果進(jìn)行對比； 對典型的薄壁箱形變截面梁的構(gòu)件臂架的局部穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，以此說明添加加勁 肋以增強(qiáng)板的穩(wěn)定性是一個(gè)有效的手段。根據(jù)構(gòu)件實(shí)際的受載情況，對穩(wěn)定性進(jìn)行評估。 9 浙江人學(xué)城j 學(xué)位論立門座起章機(jī)p u 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定件分析研究 第二章四連桿結(jié)構(gòu)的載荷計(jì)算 2 1 四連桿結(jié)構(gòu)的載荷概況 四連桿結(jié)構(gòu)作為門機(jī)的重要組成結(jié)構(gòu)和主要工作部件，對其進(jìn)行詳細(xì)的有限元分析是 十分必要的。根據(jù)其工作特征，從其可能承受的載荷入手，對四連桿結(jié)構(gòu)中的各主要構(gòu)件 做穩(wěn)定性研究，對工程設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 構(gòu)件的穩(wěn)定性分析結(jié)果的準(zhǔn)確程度依賴于對四連桿結(jié)構(gòu)有限元分析模型的合理建立， 載荷的合理添加以及邊界條件的處理。對于同一有限元模型的多載荷同步或分批加載，必 須考慮到某些載荷的性質(zhì)，例如慣性載荷必須與構(gòu)件自重相關(guān)聯(lián)：又如載荷的方向性等。 為確保穩(wěn)定性研究的可靠性，在規(guī)范g b 廠r 3 8 1 1 1 9 8 3 的基礎(chǔ)上，本章節(jié)對門機(jī)四連桿結(jié)構(gòu) 可能產(chǎn)生的載荷做了2 3 種單載分類。必須指出的是，針對單載的分析并非都是具有實(shí)際 意義的；因?yàn)槟承﹩屋d的純添加對四連桿結(jié)構(gòu)的運(yùn)作并不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的影響。同時(shí)，在分 析過程中，需要查證取值的準(zhǔn)確性，力求研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。 在四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，分布載荷的計(jì)算是一件繁瑣的工作。尤其在門座起重機(jī)變幅 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，隨著變幅位置的不同，桿系結(jié)構(gòu)件在空間的方位、均布載荷的大小、作用 方向都隨之變化。而對于總體設(shè)計(jì)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而占，計(jì)算出變幅范圍內(nèi)各構(gòu)件的多個(gè)幅度 位置，四連桿機(jī)構(gòu)的受載情況是非常重要的。過往工廠對各幅度的分布載荷進(jìn)行比較精確 的手算時(shí)，工作量大，費(fèi)時(shí)且難以保證精度。而部分結(jié)構(gòu)分析通用程序( 如m a s 等) ，對于 風(fēng)載和慣性力等還是需要手算輸入。我們在開發(fā)系統(tǒng)的過程中，按照有限元加載方式對載 荷進(jìn)行了重新分類| 1 ”，通過總結(jié)出的工程求解方法論，對其中與變幅位置緊密相聯(lián)的超越 方程的算法進(jìn)行了比較和優(yōu)化。并用o r i 百n 擬合給出擬合方程。下面以1 6 8 3 門機(jī)為例， 對其原理和方法做一介紹。 2 2 四連桿結(jié)構(gòu)的載荷分類及計(jì)算方法 2 2 1 常規(guī)載荷分類 一般載荷歸類是按照常規(guī)載荷，偶然載荷，特殊載荷分類計(jì)算，然后再進(jìn)行載荷的 a b c 類組合l ”j 。目前國內(nèi)多數(shù)研究情況和工廠的計(jì)算過程都是按照規(guī)范對各種載荷進(jìn) 行計(jì)算及優(yōu)化m i ；或者只選擇最危險(xiǎn)的工況進(jìn)行載荷計(jì)算和有限元分析l l 。 常規(guī)分類法的不足之處在于按照此種分類方式，每種載荷單獨(dú)計(jì)算的工作量大，不 0 浙蛆人學(xué)砸卜學(xué)住論文門座超奉桃p q 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析研究 同類剮的載荷問計(jì)算又有相鼉部分的重復(fù)勞動(dòng)。計(jì)算不同幅度和步幅或苔校核結(jié)果的時(shí) 候，計(jì)算量更是幾何級(jí)增長。為此，有人采用了e x c e l 計(jì)算來提高效率。但并未有人 通過重新歸類載荷來提高計(jì)算效率。為此，在設(shè)計(jì)門機(jī)專用有限元分析系統(tǒng)的時(shí)候，筆 者就載荷計(jì)算專門做了一個(gè)模塊，通過特征技術(shù)對各種載荷進(jìn)行抽取共性，實(shí)現(xiàn)載荷的 模塊封裝，方便了載荷的計(jì)算和調(diào)用的同對也簡化了前處理的過程。 2 2 2 本系統(tǒng)的載荷分類 本系統(tǒng)是使用特征技術(shù)的思想【1 9 ，對載荷進(jìn)行重新歸類。特征技術(shù)可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)及 其相關(guān)應(yīng)用活動(dòng)技能利用特征元素進(jìn)行宏觀操作和推理決策而形成基于特征的模型，又 允許不同應(yīng)用能按自身的含義來理解產(chǎn)品構(gòu)成。 2 2 2 1 特征的定義 一組與載荷或工況描述相關(guān)的信息集合1 2 0 ，載荷的特征描述是其定義和計(jì)算等方面 的信息。用特征描述的載荷信息具有加載點(diǎn)、方向性、載荷系數(shù)、關(guān)聯(lián)角度等內(nèi)容的描 述。一般可以劃分為如下類別： 1 ) 加載點(diǎn)特征：描述模型相關(guān)的幾何信息。加載點(diǎn)特征又分為均布性特征和集中性特 征。兩者之間是并行的，并可通過分析得到，門機(jī)計(jì)算的載荷都可歸納到此兩類特征中 去。均布性特指載荷添加方式是和自重形式相同，即均布在各構(gòu)件的桿單元上。如自重 載荷，慣性載荷( 4 種) ，風(fēng)載荷( 工作狀態(tài)3 種，非工作狀念3 種) ，地震載荷( 3 種) 。集 中性特征特指添加在構(gòu)件象鼻梁兩端的載荷，如起升載荷，動(dòng)載載荷，試驗(yàn)載荷( 2 種) ， 掛艙載荷，吊重載荷等。 2 ) 方向特征：用于確定載荷添加的方向和作用效果等信息。如變幅慣性載荷，在變幅 平面內(nèi)，正負(fù)x 方向可導(dǎo)致兩個(gè)計(jì)算結(jié)果，若與風(fēng)載荷同向，可組合成最危險(xiǎn)工況之一。 3 ) 系數(shù)特征：用于描述同類載荷使用的載荷系數(shù)。 4 ) 角度特征：用于描述載荷在計(jì)算過程中所用到的關(guān)聯(lián)角度。如變幅載荷都是通過四 連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)件的擺幅角度計(jì)算得出的。 在上述特征中，加載點(diǎn)和方向性屬于與載荷分類直接相關(guān)的特征。而載荷系數(shù)、關(guān) 聯(lián)角度雖不直接參與載荷的組合，但也是實(shí)現(xiàn)工況組合必不可少的條件。 2 2 2 2 特征關(guān)系 特征類和特征之問、特征之惻及特征類之問存在各種各樣的關(guān)系，具體分為： 浙江人學(xué)碩l 。學(xué)化論史fj 勝起重機(jī)刪連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定件分析研究 1 ) 鄰接關(guān)系：反映了特征之間的空問關(guān)系。如同具有均布性的自重載荷和風(fēng)載荷，就 計(jì)算過程而言，兩者是完全獨(dú)立的。但通過加載點(diǎn)特征，兩者具有了鄰接關(guān)系，具備了 空間的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)四連桿結(jié)構(gòu)的變幅位置發(fā)生變化，任一載荷計(jì)算發(fā)生改變，系統(tǒng)便會(huì) 同步更新鄰接載荷的計(jì)算結(jié)果。 2 1 從屬關(guān)系：反映了載荷與它所屬特征類的關(guān)系。屬于包含與被包含的范疇。如自重 載荷就可歸屬到均布性特征類。 3 】引用關(guān)系：描述了特征類之間在具有關(guān)聯(lián)屬性的前提下，進(jìn)行引用的關(guān)系。引用關(guān) 系主要存在于加載點(diǎn)特征對角度特征的引用，此時(shí)加載點(diǎn)特征為其它引用的非加載點(diǎn)特 征的載體。如通過解算超越方程后得到的臂架傾角a 將作為角度特征保存起來，待下一 步確定象鼻梁的變幅慣性載荷的時(shí)候進(jìn)行引用。同時(shí)也可被齒條架計(jì)算載荷進(jìn)行引用。 使用特征來建立載荷模塊的分類是非常有意義的，簡化了程序的復(fù)雜程度，也提高 了運(yùn)算效率。通過載荷模塊的計(jì)算，可以得到最基本的分類載荷( 共2 3 種) 的計(jì)算結(jié)果， 按照規(guī)范來進(jìn)行結(jié)果組合，而非載荷組合，這樣只要更新單個(gè)載荷的計(jì)算結(jié)果，載荷組 合就可直接更新而不需要做計(jì)算上的改動(dòng)了。b 類載荷的載荷組合見表2 1 。 表2 1b 類載荷組合表 呈耋! ：型塑魚 類別 載荷名稱載荷編號(hào) b o lb 0 2b 0 3b 0 4b 0 5b 0 6b 0 7b 0 8b 。9 白重載荷p 。l d 0 2咖1中1巾l由1巾l中l(wèi) 111 起升載荷p 口砜l由2由2巾2巾3巾3巾3 1ll 變幅慣性載荷p 8 ll d 0 3 自重巾5 - 中5 一一 巾5 - 一 變幅慣性載荷p a l d 0 4 吊重巾5 一 中5 一 由5 一 變幅慣性載荷p a 2 u 0 5 自重 一 由5 一一 中5 一一 中5 一 常規(guī)載荷 變幅慣性載荷p a 2l 山6 吊重 - 巾5 由5 一 由5 一 旋轉(zhuǎn)慣性載荷p a 3l d 0 7 白重 一 書5 一 巾5 巾5 旋轉(zhuǎn)慣性載荷p a 3 【山8 吊重 一 由5 一一 巾5 由s 旋轉(zhuǎn)離心載荷p 舢l d 0 9 自重 - 一 由5 一一 巾5 - 由5 旋轉(zhuǎn)離心載荷p a 4l d 】o 吊重 - 巾5 巾5 巾5 偶然載荷工作風(fēng)載荷p w i i 。l d l l 1 1一 1 一 工作風(fēng)載荷p w i ibl d l 2 一 l 一一 1 1 一 下作風(fēng)載荷p w i i 。l d l 3 一- 1 1 1 2 2 3 慣性載荷的處理 在整個(gè)載荷計(jì)算過程中，慣性載荷計(jì)算最繁復(fù)且影響大。其中包括了4 種慣性載荷， 變幅平面內(nèi)兩個(gè)方向的變幅慣性載荷，旋轉(zhuǎn)慣性載荷，還有旋轉(zhuǎn)慣性離心載荷。而其中 的配重的慣性載簡加載好壞與否，直接影響劍整個(gè)起重機(jī)的運(yùn)行效果，所以我們提取部 1 2 浙江人學(xué)碩卜位論文fj 生起垂機(jī)p u 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定忤分析研究 2 2 3 1 處理配重慣性載荷 如圖2 1 所示，配重處于旋轉(zhuǎn)軸的左側(cè)，即一石向，所以配重的旋轉(zhuǎn)慣性力和旋轉(zhuǎn) 離心力方向和吊重的相反。平衡梁后端橫梁的中心點(diǎn)為g 。2 ，其余兩個(gè)端點(diǎn)為g 。4 。 配重的變幅慣性力的計(jì)算：名。= g ox 掣，卯( f ) 為平衡梁繞其固定支點(diǎn) 的變幅旋轉(zhuǎn)角速度，g n 為平衡配重值，乃z 為變幅制動(dòng)時(shí)間。因只考慮制動(dòng)過程，所以， 配重的變幅慣性力和平衡梁的運(yùn)動(dòng)方向一致，在整體坐標(biāo)系中分解后為： 名。，= 0 。s i n 巳。，名。，= 名。c o s 巳。：當(dāng)變幅由最大至最小時(shí)，配重逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)， g o 在水平線以上時(shí)0 。，為一向名。，為一，向，g o 在水平線以下時(shí)忍o 。為+ x 向名。，為 一y 向；同理：當(dāng)變幅由最小至最大時(shí)，配重順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，g o 在水平線以下時(shí)丘。 為一x 向名。，為+ y 向，g o 在水平線以上時(shí)0 。，為+ 向名。，為+ y 向；其作為集中載荷 的加載方式同配重的自重加載方式一致。 配重的旋轉(zhuǎn)慣性力的計(jì)算：因只考慮制動(dòng)，所以配重的旋轉(zhuǎn)慣性力方向與門機(jī)四連 桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向一致，垂直與變幅平面( 因處在y 軸的左側(cè)，所以其慣性力方向與吊重 的相反1 ，其作為集中載荷的加載方式同自重的加載方式一致，其數(shù)值大小為： 尼。：g0。竺!二!二筍。，其中rn為旋轉(zhuǎn)額定速度。米，分，s。： 臂架下鉸點(diǎn)至旋轉(zhuǎn)中心的距離，只c o s 口，。+ 正一s 。：l x g 。i ，即為配重距離y 軸的距離。 配重的旋轉(zhuǎn)離心力的計(jì)算： 。，= g ox ( 墨筆巖) 2x ( 只x c 。s 臼加+ 五一s 。) ( ) ，其 方向?yàn)樗揭粁 向，其作為集中載荷的加載方式同配重自重的分配方式一致。 2 2 3 2 平衡梁的風(fēng)載計(jì)算 平衡梁變幅平面的風(fēng)載：昂= c f c ：( r 。s i n ) ( | v ) ，方向?yàn)樗絲 向( 即 同一數(shù)據(jù)值按方向在每個(gè)變幅位置加載2 次) ，其作為集中載荷的加載方式和平衡梁自 浙江大學(xué)壩i 。學(xué)位論史j 挫起重機(jī)p q 連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定一h 分析斜究 圈2 1 配重加載在平衡柒上的何圖 平衡梁旋轉(zhuǎn)方向的風(fēng)載：取門機(jī)的四連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)過程中的任意位置的坐標(biāo)系，則 變幅平面為x 0 y 平面，平衡梁旋轉(zhuǎn)的風(fēng)載方向?yàn)榇怪庇趚 o y 平面的+ z 軸的方向( 因平 衡梁的中心位置在旋轉(zhuǎn)軸的左側(cè)，故其旋轉(zhuǎn)的風(fēng)載和吊重的風(fēng)載方向相反) ，其數(shù)值大 小為：= c f 礦c ：凡：( ) ，其作為集中載荷的加載方式和平衡梁的自重分配方式 一致。 2 2 3 3 吊重的慣性載荷計(jì)算處理 因只提供變幅制動(dòng)時(shí)間和旋轉(zhuǎn)制動(dòng)時(shí)間咒，故在吊重g q o ( 包含吊具) 在變幅平 面內(nèi)的變幅慣性力計(jì)算中只考慮了制動(dòng)時(shí)的慣性力，啟動(dòng)的慣性力在計(jì)算中沒有體現(xiàn)。 吊重位置在圖2 2 a 點(diǎn)下方，圖示象鼻梁的重心0 ，瞬心( j ，y ) ，象鼻梁此位置時(shí)旋轉(zhuǎn) 角速度為出啦；此時(shí)，象鼻梁前端a 點(diǎn)線速度為：y 。= 國以w 口，制動(dòng)時(shí)a 點(diǎn)的平均 加速度二= 挈，方向與象鼻梁a 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向相反，如圖2 2 示；假漫吊重位于a 點(diǎn)下 出 方緊靠a 點(diǎn)，則此時(shí)吊重的變幅慣性力尼口。= 坍?？? “吼并作用于a 點(diǎn)，方向同象鼻梁 運(yùn)動(dòng)方向，如圖2 2 示。在圖示位置a 點(diǎn)把。分解到x ，y 軸，作為集中載荷帶入求 解器計(jì)算。 吊重的旋轉(zhuǎn)慣性力的計(jì)算：f = g q 。乏，其中p r 為a 點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)時(shí)線速度，即： 4 浙江人學(xué)壩卜 位鹼文j 址起重機(jī)叫璉桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析 i f 究 p 。，= 彳。蘭；導(dǎo)s ) ，制動(dòng)a 點(diǎn)的加速度方向與v + 方向相反，吊重的慣性力方向 與叱，同向，集中加載于a 點(diǎn)。 吊重旋輔心力的楫f = 警- g q o x ( 警) 2 以，方向水平+ x 向， 在a 點(diǎn)水平集中加載。 e ( o 2 3 超越方程的算法優(yōu)化 圖2 2 吊重慣性力計(jì)算示意圖 2 3 1 優(yōu)化問題的描述 對起重機(jī)進(jìn)行有限元分析與優(yōu)化的關(guān)鍵是準(zhǔn)確無誤地確定其工作載荷。根據(jù)四連桿 機(jī)構(gòu)與工作裝置的靜定連接關(guān)系，只有準(zhǔn)確解算超越方程，才可能高效可靠地計(jì)算各工 況的載荷。在變幅過程中，與變幅位置l ( i ) 一一對應(yīng)的有臂架的傾角a ( i ) ，如圖2 - 3 所 示，根據(jù)四連桿機(jī)構(gòu)的幾何比例關(guān)系，我們?nèi)菀椎玫揭韵路匠蹋?i b l c o s d + 一1 c o s 口= 上 ( 2 1 ) 日s i n 口一4 l s i n 欏= c i s i n ，+ 一爿o s i n ( 口+ 腳1 ) ( 2 2 ) l c l c o s ，+ ( 4 0 l + 爿0 2 ) c o s ( 口+ 塒i ) = 上+ r ( 2 3 ) 浙江人學(xué)壩l 。學(xué)位論立門座起審機(jī)川連桿結(jié)構(gòu)構(gòu)件的穩(wěn)定性分析付f 究 h 圖2 3 四連桿機(jī)構(gòu)的簡化模型 其中4 = a 。+ 彳。：，得到如下方程( 2 4 ) ： ，( 口) = 扣二面i i 麗礦一。xs i n 目一扛i i f i 忑萬麗r + 一。xs i n (