履带起重机风电吊装系统设计与优化研究

【摘要】：伴随着我国对风力发电领域的日益重视,一些大型的风力发电项目开始投资建设,在向全社会提供大量新能源的同时,也为风力发电相关产业带来商机。履带起重机行业,作为风电吊装领域的主要角色,从中获益匪浅。风电设备吊装过程的特点是起升高度高、起升载荷大,同时为避免吊物与臂架发生干涉碰撞,其对作业半径的要求也十分严格。针对这一特点,为更好的满足风电吊装作业要求,各厂家纷纷推出风电专用的机型,在原有履带起重机上加装风电吊装系统是各厂家的主要手段。 履带起重机风电吊装系统是以其原有臂架组合形式为设计原型,根据风机的吊装要求对部分结构重新改良设计,本文以固定副臂臂架组合形式为基础进行设计。此种结构由主臂臂头、风电专用副臂、副臂支架和前后拉板等部件组成,在继承主臂工况高起重性能的同时可增加作业半径和作业高度。系统中主臂臂头为履带起重机原有结构,无需另行设计,所以本文主要以风电专用副臂及副臂支架为研究对象,对其进行设计研究。具体内容如下： 1.针对履带起重机风电吊装系统的设计要求,结合QUY300履带起重机的自身结构形式,提出风电吊装系统的整体设计方案,并对其结构形式、钢丝绳卷绕系统和取物装置进行选型。 2.以《GB/T3811-2008起重机设计规范》为设计标准,针对风电专用副臂和副臂支架的结构特点,对其进行结构设计。风电专用副臂和副臂支架是整个系统中的核心结构,其设计合理与否直接影响到整机性能的发挥。风电吊装系统在进行吊装作业时,其起升载荷作用方向与副臂臂架轴线夹角较小,导致专用副臂的受力形式以轴向受压为主,同时在前后拉板的影响下,副臂支架的受力形式同样以轴向受压为主。因此,本文将压弯构件稳定性作为结构整体设计时的主要研究因素；将弯曲强度作为结构局部设计的主要研究因素,同时也作为验证设计方案可行性的重要指标。 3.以有限单元法为基础,应用ANSYS软件建立风电吊装系统有限元模型,并对整机组装模型进行静力学分析、对副臂与副臂支架进行屈曲分析、对局部结构进行接触分析。通过分析计算结果,明确风电吊装系统各组成构件的应变特征、应力大小和应力分布等情况,从系统刚度和强度方面验证设计方案的可行性。 4.为提高产品的经济性,本文以系统重量为目标函数,选取系统中相关结构参数为设计变量,对其进行优化设计。此优化问题属于多变量非线性规划,求解此类问题的关键在于寻求合理的约束条件,过多的约束条件会导致可行域范围很小,不易查找优化点；过少的约束条件又会导致可行域过大,从而使寻找优化点的时间过长。本文选取系统中各部件的整体稳定性、单支稳定性和弯曲强度等作为性能约束,选取各设计变量的取值范围作为边界约束,采用MATLAB优化工具箱提供的遗传算法对其进行优化计算,得出最优结果。根据优化结果重新建立有限元模型并进行有限元计算,通过优化前后的结果对比,阐述系统整体的刚强度变化,进而说明优化后系统各部件材料的利用率得到了提高。 【关键词】：风电 履带起重机 优化设计 有限元 屈曲分析 接触分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TH213.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 绪论12-18
• 1.1 课题背景及意义12-13
• 1.2 国内外履带起重机发展浅析13-16
• 1.2.1 国外履带起重机发展概述13-14
• 1.2.2 国内履带起重机发展概述14-16
• 1.3 课题主要研究内容与思路16-18
• 第2章 风电吊装系统总体方案确定18-28
• 2.1 风电吊装系统结构介绍18-20
• 2.1.1 常用结构形式介绍18-19
• 2.1.2 结构组成19-20
• 2.2 设计参数确定20
• 2.3 专用副臂及副臂支架结构形式选取20-23
• 2.4 钢丝绳卷绕系统和取物装置选取及计算23-26
• 2.4.1 钢丝绳卷绕系统选取及计算23-26
• 2.4.2 取物装置形式选取26
• 2.5 本章小结26-28
• 第3章 风电吊装系统结构设计28-38
• 3.1 风电吊装系统载荷确定及力学分析28-31
• 3.1.1 载荷确定28-29
• 3.1.2 力学分析29-31
• 3.2 专用副臂的结构设计31-34
• 3.3 副臂支架的结构设计34-36
• 3.4 本章小结36-38
• 第4章 风电吊装系统有限元分析38-58
• 4.1 有限单元法及ANSYS简介38-40
• 4.1.1 有限单元法在结构力学上的应用38-39
• 4.1.2 基于ANSYS的结构分析方法39-40
• 4.2 建立有限元模型40-43
• 4.2.1 有限元单元类型选择40-42
• 4.2.2 关键位置简化42-43
• 4.2.3 有限元模型建立43
• 4.3 静力学分析计算43-48
• 4.3.1 施加约束及载荷43-45
• 4.3.2 系统整体计算结果云图45-47
• 4.3.3 计算结果分析47-48
• 4.4 副臂及副臂支架屈曲分析计算48-53
• 4.4.1 副臂臂架屈曲分析计算48-51
• 4.4.2 副臂支架屈曲分析计算51-53
• 4.5 风电吊装系统的接触分析53-57
• 4.5.1 副臂根部铰耳处的接触分析计算53-55
• 4.5.2 副臂顶部滑轮轴处的接触分析计算55-57
• 4.6 本章小结57-58
• 第5章 风电吊装系统优化58-72
• 5.1 优化设计方法简介58-59
• 5.2 建立数学模型59-66
• 5.2.1 确定设计参数59-61
• 5.2.2 确定目标函数61-62
• 5.2.3 确定约束函数62-66
• 5.3 风电吊装系统优化计算及结果分析66-69
• 5.3.1 MATLAB优化工具箱选用66-68
• 5.3.2 优化结果分析68-69
• 5.4 风电吊装系统优化后的有限元再分析69-70
• 5.4.1 专用副臂优化前后分析结果对比69-70
• 5.4.2 副臂支架及主臂臂头优化前后分析结果对比70
• 5.5 本章小结70-72
• 第6章 总结与展望72-74
• 6.1 总结72
• 6.2 展望72-74
• 参考文献74-78
• 作者简介及在学期间所取得的研究成果78-79
• 致谢79

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