大型起重机结构轻量化仿生箱梁的力学耦合机理研究结题摘要

起重机结构轻量化是现代物流搬运领域中倡导的新理念，也是起重机设计、加工过程中予以考虑的关键要素。本项目围绕大型起重机结构轻量化的科学问题，借鉴自然界中叶脉及竹节等固有结构的优越性，分别提出弹性斜向加筋肋局部结构仿生模型和带有变间距横隔板的正(偏)轨箱梁整体结构仿生模型。 针对叶脉斜向加筋肋局部模型，推导出斜坐标系下四边简支斜板屈曲控制微分方程，结合调和微分求积法和边界融入法，给出求解简支斜板局部稳定性问题的调和边界融入微分求积法。以不同力和位移边界条件下的斜板为例，研究斜板局部屈曲临界载荷与载荷变化系数、边长比和倾角等参数间关系。结果表明：双向轴压作用下简支斜板屈曲临界载荷随载荷变化系数增大减小，随边长比增大而增大，随倾角增大而减小；单向轴压下四边固支和简固混合边界条件下斜板屈曲临界载荷随边长比增大而增大，随倾角增大而减小。 针对带有变间距横隔板的正轨箱梁整体模型，考虑加劲肋间距对结构刚度和强度指标的影响，建立正轨箱梁加劲肋变间距等稳定性优化策略，结合有限元弹性屈曲分析进行迭代优化，实现加劲肋变间距等稳定性设计。研究表明，优化求解速率随偏差率增大而增大；仿生箱梁较传统箱梁加劲肋数量由15道减小为10道、主梁重量减轻。 针对带有变间距横隔板的偏轨箱梁整体模型，推导出横隔板加强的简支(悬臂)梁截面节点畸变位移及应力的初参数解。结合有限元法和畸变加载试验结果，充分验证了箱梁各截面畸变特征参量的精确性和可靠性。以起重机小车位于跨中和悬臂时的简支(悬臂)梁为对象，研究轮压点处各畸变特征量与截面高跨比、隔板数量和厚度等参数间关系。结果表明：小车位于简支梁跨中时，各畸变特征量随随隔板数增加表现出振荡衰减特性，随高跨比及厚度比增加表现为指数衰减特性；小车位于悬臂梁端部时，吊钩处截面节点畸变翘曲应力随隔板数增加而增加，畸变角及横向弯曲底角随隔板数增加表现出指数递减特性。 本项目综合理论分析、有限元仿真和试验验证等三个部分，分别针对仿生箱梁结构中局部斜板的屈曲承载力和带有变间距横隔板箱梁的畸变特性展开了系统研究。该研究加深了结构仿生学在箱梁设计领域的影响，丰富了工程机械设计的理论研究路径，对完善箱梁结构轻量化设计理论体系具有重要意义。 2100433B

大型起重机结构自重大，运行能耗高，其结构轻量化是实现节能降耗的重要手段。本项目针对大型起重机箱梁结构轻量化的科学问题，从结构仿生学相似性原理出发，提出叶脉加劲肋结构形式，通过研究叶脉及竹节的自然分布特性，指导叶脉加劲肋在箱梁结构中的仿生布置。以叶脉斜向肋加劲板结构局部模型和叶脉加劲肋仿生箱梁结构整体模型的系列仿生试件实验数据为基础，并结合能量法和有限元法等理论分析手段，研究斜向肋尺寸、位置参数等与结构屈曲临界应力之间的关系，以及加劲肋与箱梁结构参数同结构局部稳定性、极限承载力和静动态特性之间的耦合作用机理，并建立加劲肋与箱梁结构参数之间的优化配置关系，提出受压翼缘板局部稳定性计算理论及叶脉加劲肋最佳布置形式，指导大型起重机箱梁结构轻量化设计。该研究不仅可以促进结构仿生学在工程机械设计领域的应用，而且对丰富和完善箱梁结构轻量化设计理论体系有重要意义。

高速数控机床的高加速度、高精度特点要求机床运动部件必须质量小、刚性高。提高机床运动构件的比刚度成为高速机床结构设计的重要主题。生物体结构是亿万年自然选择和生命进化的结果，充分体现了自然进化的趋向：用最少的结构材料来承受最大的外力，也就是达到最高的比强度比刚度，或者说最佳的结构效能。本课题以提高机床运动构件的比刚度为目标，研究结构件仿生设计的理论、准则和方法，进行机床工作台、横梁、主轴箱等典型结构件仿生设计，对结构中的框、肋、筋等结构依据结构仿生的原则布置和成型，以取得最佳的轻量化效果。对设计结果进行仿真验证，以比刚度最高为目标，优化结构参数。探讨复杂仿生结构的制造工艺，使结构仿生设计成果具有制造技术的支持，并对样件进行比刚度实验验证。本课题将进一步完善结构仿生设计的理论体系，提出结构仿生设计的准则和方法，具有科学意义，研究成果在高性能高速机床结构的轻量化设计中具有重要的应用前景。 2100433B

为了解决起重机大型化与轻量化的矛盾，着眼于大型起重机臂架结构的最优设计方法问题，建立大型臂架结构仿生优化设计理论。根据大型臂架的重载、动载和杆系特点，以生物承载结构为参照，基于仿生优化方法、密度法和三维骨架提取法，建立大型臂架结构自主式生长模型，使得臂架结构经历静态生长和动态适应两个阶段，以及结构原型、初步构形、杆系结构、成熟结构和适应结构五种形态的转变过程，从而生长出具有梯度性能特征的仿生型轻质臂架结构。通过仿真试验，对比仿生臂架与传统臂架的力学性能，定量表达大型臂架结构仿生优化设计理论的应用效果。制作仿生臂架、传统臂架的比例模型，在专门构建的试验平台上进行静态和动态试验，验证大型臂架结构仿生优化设计理论的正确性和有效性。