大型起重機結構輕量化仿生箱梁的力學耦合機理研究

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，借鑒自然界中葉脈及竹節(jié)等固有結構的優(yōu)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(wěn)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系數、邊長比和傾角等參數間關系。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系數增大減小，隨邊長比增大而增大，隨傾角增大而減??；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(wěn)定性優(yōu)化策略，結合有限元彈性屈曲分析進行迭代優(yōu)化，實現加勁肋變間距等穩(wěn)定性設計。研究表明，優(yōu)化求解速率隨偏差率增大而增大；仿生箱梁較傳統(tǒng)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(jié)點畸變位移及應力的初參數解。結合有限元法和畸變加載試驗結果，充分驗證了箱梁各截面畸變特征參量的精確性和可靠性。以起重機小車位于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征量與截面高跨比、隔板數量和厚度等參數間關系。結果表明：小車位于簡支梁跨中時，各畸變特征量隨隨隔板數增加表現出振蕩衰減特性，隨高跨比及厚度比增加表現為指數衰減特性；小車位于懸臂梁端部時，吊鉤處截面節(jié)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(tǒng)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。 2100433B

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(jié)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(fā)，提出葉脈加勁肋結構形式，通過研究葉脈及竹節(jié)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，并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系，以及加勁肋與箱梁結構參數同結構局部穩(wěn)定性、極限承載力和靜動態(tài)特性之間的耦合作用機理，并建立加勁肋與箱梁結構參數之間的優(yōu)化配置關系，提出受壓翼緣板局部穩(wěn)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應用，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。

高速數控機床的高加速度、高精度特點要求機床運動部件必須質量小、剛性高。提高機床運動構件的比剛度成為高速機床結構設計的重要主題。生物體結構是億萬年自然選擇和生命進化的結果，充分體現了自然進化的趨向：用最少的結構材料來承受最大的外力，也就是達到最高的比強度比剛度，或者說最佳的結構效能。本課題以提高機床運動構件的比剛度為目標，研究結構件仿生設計的理論、準則和方法，進行機床工作臺、橫梁、主軸箱等典型結構件仿生設計，對結構中的框、肋、筋等結構依據結構仿生的原則布置和成型，以取得最佳的輕量化效果。對設計結果進行仿真驗證，以比剛度最高為目標，優(yōu)化結構參數。探討復雜仿生結構的制造工藝，使結構仿生設計成果具有制造技術的支持，并對樣件進行比剛度實驗驗證。本課題將進一步完善結構仿生設計的理論體系，提出結構仿生設計的準則和方法，具有科學意義，研究成果在高性能高速機床結構的輕量化設計中具有重要的應用前景。 2100433B

為了解決起重機大型化與輕量化的矛盾，著眼于大型起重機臂架結構的最優(yōu)設計方法問題，建立大型臂架結構仿生優(yōu)化設計理論。根據大型臂架的重載、動載和桿系特點，以生物承載結構為參照，基于仿生優(yōu)化方法、密度法和三維骨架提取法，建立大型臂架結構自主式生長模型，使得臂架結構經歷靜態(tài)生長和動態(tài)適應兩個階段，以及結構原型、初步構形、桿系結構、成熟結構和適應結構五種形態(tài)的轉變過程，從而生長出具有梯度性能特征的仿生型輕質臂架結構。通過仿真試驗，對比仿生臂架與傳統(tǒng)臂架的力學性能，定量表達大型臂架結構仿生優(yōu)化設計理論的應用效果。制作仿生臂架、傳統(tǒng)臂架的比例模型，在專門構建的試驗平臺上進行靜態(tài)和動態(tài)試驗，驗證大型臂架結構仿生優(yōu)化設計理論的正確性和有效性。