《大型起重機結構輕量化仿生箱梁的力學耦合機理研究》是依託西南交通大學，由程文明擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：大型起重機結構輕量化仿生箱梁的力學耦合機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：程文明
- 依託單位：西南交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
大型起重機結構自重大，運行能耗高，其結構輕量化是實現節能降耗的重要手段。本項目針對大型起重機箱梁結構輕量化的科學問題，從結構仿生學相似性原理出發，提出葉脈加勁肋結構形式，通過研究葉脈及竹節的自然分布特性，指導葉脈加勁肋在箱梁結構中的仿生布置。以葉脈斜向肋加勁板結構局部模型和葉脈加勁肋仿生箱梁結構整體模型的系列仿生試件實驗數據為基礎，並結合能量法和有限元法等理論分析手段，研究斜向肋尺寸、位置參數等與結構屈曲臨界應力之間的關係，以及加勁肋與箱梁結構參數同結構局部穩定性、極限承載力和靜動態特性之間的耦合作用機理，並建立加勁肋與箱梁結構參數之間的最佳化配置關係，提出受壓翼緣板局部穩定性計算理論及葉脈加勁肋最佳布置形式，指導大型起重機箱梁結構輕量化設計。該研究不僅可以促進結構仿生學在工程機械設計領域的套用，而且對豐富和完善箱梁結構輕量化設計理論體系有重要意義。
結題摘要
起重機結構輕量化是現代物流搬運領域中倡導的新理念，也是起重機設計、加工過程中予以考慮的關鍵要素。本項目圍繞大型起重機結構輕量化的科學問題，借鑑自然界中葉脈及竹節等固有結構的優越性，分別提出彈性斜向加筋肋局部結構仿生模型和帶有變間距橫隔板的正(偏)軌箱梁整體結構仿生模型。 針對葉脈斜向加筋肋局部模型，推導出斜坐標系下四邊簡支斜板屈曲控制微分方程，結合調和微分求積法和邊界融入法，給出求解簡支斜板局部穩定性問題的調和邊界融入微分求積法。以不同力和位移邊界條件下的斜板為例，研究斜板局部屈曲臨界載荷與載荷變化係數、邊長比和傾角等參數間關係。結果表明：雙向軸壓作用下簡支斜板屈曲臨界載荷隨載荷變化係數增大減小，隨邊長比增大而增大，隨傾角增大而減小；單向軸壓下四邊固支和簡固混合邊界條件下斜板屈曲臨界載荷隨邊長比增大而增大，隨傾角增大而減小。 針對帶有變間距橫隔板的正軌箱梁整體模型，考慮加勁肋間距對結構剛度和強度指標的影響，建立正軌箱梁加勁肋變間距等穩定性最佳化策略，結合有限元彈性屈曲分析進行疊代最佳化，實現加勁肋變間距等穩定性設計。研究表明，最佳化求解速率隨偏差率增大而增大；仿生箱梁較傳統箱梁加勁肋數量由15道減小為10道、主梁重量減輕。 針對帶有變間距橫隔板的偏軌箱梁整體模型，推導出橫隔板加強的簡支(懸臂)梁截面節點畸變位移及應力的初參數解。結合有限元法和畸變載入試驗結果，充分驗證了箱梁各截面畸變特徵參量的精確性和可靠性。以起重機小車位於跨中和懸臂時的簡支(懸臂)梁為對象，研究輪壓點處各畸變特徵量與截面高跨比、隔板數量和厚度等參數間關係。結果表明：小車位於簡支梁跨中時，各畸變特徵量隨隨隔板數增加表現出振盪衰減特性，隨高跨比及厚度比增加表現為指數衰減特性；小車位於懸臂樑端部時，吊鉤處截面節點畸變翹曲應力隨隔板數增加而增加，畸變角及橫向彎曲底角隨隔板數增加表現出指數遞減特性。 本項目綜合理論分析、有限元仿真和試驗驗證等三個部分，分別針對仿生箱梁結構中局部斜板的屈曲承載力和帶有變間距橫隔板箱梁的畸變特性展開了系統研究。該研究加深了結構仿生學在箱梁設計領域的影響，豐富了工程機械設計的理論研究路徑，對完善箱梁結構輕量化設計理論體系具有重要意義。
