毕业设计（论文）-汽车起重机起升机构卷筒的优化设计.pdf

汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第1页共33页1绪论1.1优化设计的发展状况1963年5月美国应用力学文摘发表了一篇关于优化设计过去和现状的总结报道，并附1963年以前的234篇文献目录，1968年10月美国应用力学文摘又发表了一篇关于优化设计的近期发展的报道，并列出了1963-1968年之间的146篇文献目录。我国第一篇有关优化设计的文章为熊祝华发表在湖南大学学报1966年第一期上的关于塑性结构的最轻设计问题。大连工学院学报1913年第3期发表的结构力学最优化设计理论与方法的近代发展对结构静力的优化设计做了全面的介绍，并附有79篇文献目录。王光远、卢书辉、沈乃杰在1978年发表的抗震结构最优设计的理论和方法则对结构动力的优化设计做了全面的介绍，并附有85篇文献目录。1978年中国基本建设优化研究会成立，推动了优化设计理论的研究和应用。1981年在哈尔滨召开的结构优化学术会议则是我国从事优化设计理论研究工作的专家、学者的第一次聚会，参加会议近百人，交流论文四十余篇，并听了美籍华人郑毅教授的讲学。1986年中国基本建设优化研究会成立的设计优化学术委员会，则汇集了全国各地从事优化设计理论研究工作的教授、专家、学者，几年来发表论文几十篇，大大推动了优化设计理论的发展。目前，优化设计的应用领域已从航空航天扩展到船舶、桥梁、汽车、机械、水利、建筑等更广泛的工程领域，解决的问题从减轻结构重量扩展到降低应力水平、改进结构性能和提高安全寿命等更多方面。例如，陈汝训等用数值解法求得了火箭发动机壳体封头的形状优化解。顾元宪等用微机辅助结构优化设计系统(MCADS)进行了平面膜板的开孔形状优化、管道连接和变形补偿的波纹管即膨胀节的形状优化、火车车轮断面和航空发动机涡轮盘形状优化。GATES等对航天器中的丁字形托架和内有肋板、外有撑架的柱形三维壳体结构进行了形状优化。KOETSUYAMAZAKI等用边界元法优化了三维连杆的开孔和边界形状。罗志军等用遗传算法对雷达天线罩进行结构壁各层厚度的优化。薛玺成等探讨了地下洞室断汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第2页共33页面形状的优化计算方法。张文元等用遗传算法对空间25杆桁架的杆截面进行了尺寸优化。宋天霞等对水轮机顶盖的板壳结构进行了选型优化设计。朱伯芳、张海等先后对双曲拱坝进行了形状优化等等。1.2优化设计的发展趋势对于优化设计问题中的有关解决约束参数或非线性规划问题的研究，一直是应用数学和计算数学数值分析方面十分活跃的领域。目前，这个领域内己有一些非常有效的算法，并可望得到更进一步的发展。令人遗憾的是，还没有一种优化方法占绝对优势。其原因在于，工程问题的复杂性迫使设计者不得不同时采用几种功能不同的方法进行寻优求解，以期得到最佳设计方案。根据国内外现有报导的资料归纳起来，目前的优化方法发展趋势有以下几个方面:(1)关于混合离散变量的算法:怎样处理多变量只能从有限的表格中的取值问题，乃是目前急需解决的问题之一，因为，工程中大多数是这种问题。事实上，任何一种产品的参数，即使用最精密的测量工具，其参数值也是有间隔的。此外，设计参数的间隔化，使在解决约束非线性离散变量问题时的最优性条件也与常规的优化方法完全不同。(2)关于多目标优化设计:工程实际中只追求单项指标是不多见的。相反，更多的情形是设计变量在满足两项或多项指标函数，才能更好地表达所期求的设计。然而，这些目标函数可能是相互补充或相互矛盾的。如何权衡多项设计指标，过去有不少文章和一些专著讨论这个问题。近年来，利用博弈论和排序论等解决多目标问题已取得一些很有希望的进展。另外，利用模糊数学在多目标优化设计中求解，也是近年来的一个发展方向。总之，关于多目标求解理论和方法的进一步研究和推广，还需付出很大的努力。(3)关于大型优化设计问题:什么样的策略和方法才能处理有数百个设计变量和上千个非线性约束的规划问题，现在越来越引人注目了。过去，不恰当地把问题简化到更易处理的规模，势必造成丢掉或者显著降低所得到结果的价值。近年来，在研究这方面问题的稀疏性或利用分治策略的方法上展示了现实可行的前景。(4)关于全域最优化的方法:目前，多数算法不能期望得到非凸问题的全域最汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第3页共33页优解，对于高维问题，甚至遇到它时，也难以识别。D.JWILDE教授指出，近年来不断发展的、解析的、非迭代的全域最优化方法有望解决这一问题。此外，加强对通用和专用优化软件的性能比较和数据库的研究也是十分迫切的课题。总之，尽管在优化理论的研究中尚需付出很大的代价和努力，然而，优化设计的前景仍是非常光明的，总是逐步向更新的领域开拓和发展。1.3卷筒概述起升机构卷筒用以收放钢丝绳，把原动机的驱动力传递给钢丝绳，并将原动机的回转运动变为直线运动。起重机械中主要采用圆柱形卷筒。按钢丝绳在卷筒上的卷绕层数可分为单层绕卷筒和多层绕卷筒。单层绕卷筒表面通常切有螺旋形绳槽。绳槽节距比钢丝绳直经稍大，绳槽半径也比钢丝绳半径稍大，这样即增加了钢丝绳与卷筒的接触面积，又可防止相邻钢丝绳间相互磨擦，从而提高相邻钢丝绳间相互摩擦。多层绕卷筒容绳量大，工程起重机中随着起升高度的增大，起升机构中卷筒的容绳量相应增加。采用尺寸较小的多层绕卷筒，对于减少机构尺寸十分有利。1.4卷筒的结构所有卷筒大致都由以下几部分组成：筒壳、支轮以及支环（用以加强筒壳的纵向筋和环向筋）。根据制造工艺的不同，可把起升机构卷筒的结构分为铸造、焊接混合型（支轮为铸造，卷筒为焊接）和焊接型，其中，铸造混合型一般采用螺丝钉将支轮与筒壁连接起来，焊接型的卷筒与支轮全部为焊接结构。过去起升机构卷筒常采用“薄壳厚支”，这种结构的优点是结构稳定性好，可以减少重量和惯量，但是支环会带来工艺上的不便，使卷筒受力状况不好，如果支环与支轮轮缘的截面积相同，则支环连接处筒壳的应力是支轮连接处筒壳的应力两倍，因此，一般认为设里支环不能减少筒壳的厚度，而且还得使其厚度增加，现在卷筒常采用“厚壳薄支”或不加支环。卷筒外一般设有木衬，并在木衬上车出绳槽，目的是减少钢丝绳与卷筒直接接触而造成磨损，并使钢绳排列整齐。但木衬使用寿命不长，更换费时、费力，故也有不设木衬而直接在卷筒上车出绳槽的，但此需要增加约13的筒壳厚度，从而使机重增加。汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第4页共33页1.5课题研究的意义目前，我国起重机械整体水平虽有了一些进步，但无论性能还是内在质量与国外产品相比尚有较大差距，主要表现在:起升机构仍沿袭小而短的传统卷筒、反弹乱绳现象严重、钢丝绳易于疲劳、报废率高等。现行起升机构的上述缺陷，严重影响了主机的工作性能、可靠性和安全性。本次设计主要就是针对起升机构卷筒的优化，以实现体积小，成本低，工作效率高等特点。汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第5页共33页2卷筒的设计计算2.1卷筒的工作原理在绳索牵引机构中，钢丝绳两端一般都在卷筒上固定，卷筒旋转时钢丝绳从卷筒的一边放出，从另一边卷入。摩擦卷筒利用卷筒与钢丝绳之间的摩擦传递牵引力，钢丝绳端不固定在卷筒上，摩擦卷筒旋转时，卷筒上的钢丝绳圈沿卷筒轴向移动。牵引行程过长时，为了缩短摩擦卷筒长度，可将卷筒制成中间小两头大的曲线形状，这种卷筒在工作时，卷筒的曲线外形能使钢丝绳不断滑向卷筒中间部分，但加剧了钢丝绳的磨损，一般只用于工作不频繁的场合。如果钢丝绳在卷绕过程中，其拉力S按由大至小或由小至大规则变化（例如矿井提升机吊笼升降时，卷筒所受钢丝绳悬垂部分的重力随起升高度而变），采用锥形卷筒能使卷筒承受的扭矩保持恒定。卷筒直径D按minDminS=minDminS的关系式确定。卷筒由铸造或焊接经机加工后制成，铸造卷筒(图2-1-1)一般采用不低于HT-200的灰铸铁，重要卷筒可以采用高强度铸铁或球墨铸铁，必须采用铸铁时，应不低于ZT230-450.焊接卷筒（图2-1-2）多采用Q235钢板弯卷焊接而成，重量轻，适宜于单件生产和大尺寸卷筒。国外有带绳槽的热轧成型钢板制造的焊接卷筒。图2-1-1铸造卷筒汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第6页共33页图2-1-2焊接卷筒2.2卷筒的结构及其失效形式2.2.1卷筒的结构所有卷筒大致都由以下几部分组成:筒壳、支轮以及支环(用以加强筒壳的纵向筋和环向筋)。根据制造工艺的不同，可把起升机构卷筒的结构分为铸造、焊接混合型(支轮为铸造，卷筒为焊接)和焊接型，其中，铸焊混合型一般采用螺钉将支轮与筒壁连接起来，焊接型的卷筒与支轮全部为焊接结构。过去起升机构卷筒常采用“薄壳厚支”，这种结构的优点是结构稳定性好，可以减小重量和惯量，但是支环会带来工艺上的不便，使卷筒受力状况不好，如果支环与支轮轮缘的截面积相同，则支环连接处筒壳的应力是支轮连接处筒壳的应力的两倍，因此，一般认为设里支环不能减少筒壳的厚度，而且还得使其厚度增加，现在卷筒常采用“厚壳薄支”或不加支环。卷筒外一般设有木衬，并在木衬上车出绳槽，目的是减少钢丝绳与卷筒直接接触而造成磨损，并使钢丝绳排列整齐。但木衬使用寿命不长，更换费时、费力，故也有不设木衬而直接在卷筒上车出绳槽的，但此需要增加约13的筒壳厚度，从而使机重增加。2.2.2卷筒的失效形式及原因卷筒的失效形式有：（1）裂纹。裂纹出现于筒壁的裂纹多出现于圆周方向和螺钉处，支轮的裂汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第7页共33页纹多出现于入孔周边，呈放射状；支环的裂纹多出现于焊缝。（2）变形过大。此种情况多数是筒壁中部塌陷。（3）连接螺栓被剪断或弯曲变形过大。造成上述失效的原因很复杂，一般说来可能有以下几种：（1）理论计算不正确，造成卷筒强度不足。（2）结构设计不良，卷筒各部分刚度相差过大，所加支轮和支环的结构不合理，形成局部刚性过高，从而导致局部应力过高，不符合弹性均匀化设计原则。（3）加工安装不当，如卷筒不圆或支环与筒壁贴合不好等。（4）使用维修不当如过载或加速度过大等。（5）原材料有缺陷，如内部裂纹等。（6）焊接工艺不当，如焊条或焊接参数选择不当，焊接处清洗不净，以及焊接后不进行热处理或热处理工艺不当残余应力过高等。（7）设计许用应力选取过大。上述失效原因除使用和制造方面的问题外，还与计算公式的准确有关。卷筒缠绕方法的设计在起重机起升机构的设计中，解决高起升高度的问题时通常除采用加大卷筒直径或长度和改变绳系的倍率等方法外，还有一种较经济有效的方法就是设计双层（或多层）缠绕的卷筒。设计双层（或多层）卷绕卷筒时必须注意以下两个关键问题：一是当钢丝绳进入第2层时由其绕旋方向与底层钢丝绳旋向相反，此时钢丝绳不可能绕在第一圈钢丝绳所形成的螺旋槽中而容易出现钢丝绳排列不规则和乱绕现象；二是钢丝绳进入第二层绕时由于在卷筒端部出现钢丝绳排列不规则，从使钢丝绳在卷筒上反复缠绕和堆积。目前一种比较新颖的设计方法，即所谓折线式多层卷绕的卷筒，通过设计特殊绳槽和卷筒两端当环内端面，可以防止钢丝绳在卷筒端部每个过渡期对挡环的挤压，做到平滑而整齐的卷绕，从而有效减少钢丝绳的摩擦和磨损以及挡环端面的磨损。该卷筒结构如图2-2-1所示：它包括1个圆柱形筒体和固定在筒体端部的挡环。挡环内侧设有一阶梯，阶梯与筒体同心。这些阶梯各具有一凸台，以便支撑钢丝绳末圈。每个阶梯支撑一汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第8页共33页个侧环，侧环沿着凸台的轮廓被安置在靠近挡环的内表面处。侧环包括1个锲形端部，安装在会产生挤压现象的那部分末端绳圈下。其作用是将一层钢丝绳的末圈抬升到上一层的水平位置，可以防止钢丝绳在挡环与邻接绳圈之间的挤压。侧环圆周布置，随着卷筒的旋转使钢丝绳直接抬升到上一层。侧环上设有一支撑垫，是侧环锲形端的延伸部分，在末端钢丝绳形成新的一层的第一圈时起支撑和适应定位的作用。为了利用侧环和阶梯使绳圈正常排列，在筒体表面设计带折线式绳槽。它与普通的螺旋绳槽的区别是在第一圈卷绕中，它的螺旋斜槽仅仅是整圈绳槽的一部分，除了螺旋部分外，其余部分则是无旋向的直槽，这样当第二层钢丝绳卷绕在第一层钢丝绳时，其相当一部分就落在由第一层钢丝绳缠绕时所形成的凹槽中，当钢丝绳绕到螺旋部分时钢丝绳将跨过前层钢丝绳，落在相邻的凹槽内。如此反复，可使钢丝绳整齐地排列在卷筒上。设计时所须注意的是，绳槽的螺旋斜度一般不大于10。图2-2-1新型多层缠绕卷筒该缠绕方法的主要优点是钢丝绳不会被挤压到挡环和邻接的绳圈之间。这样钢丝绳不易受到挤压摩擦和磨损。另外，由于减少了钢丝绳上的局部磨损可消除钢丝绳损坏的隐患，提高使用安全性，该卷筒的另一优点是由于钢丝绳不挤压挡环，可减少挡环的磨损。为了保证钢丝绳正常卷绕，必须精确地加工卷筒挡环的尺寸和绳槽，通过在普通车床的刀架及拖板上增加间隙步进机构可解决绳槽的加工精度问题。2.3卷筒的几何尺寸计算卷筒主要尺寸按表2-3-1确定。单层然卷筒表面通常切出导向螺旋槽，绳槽分标准槽与深槽两种形式，一般情况都采用标准槽。当钢丝绳有脱槽危险（例如汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第9页共33页抓斗起升机构卷筒，钢丝绳向上引出的卷筒）以及高速机构中，采用深槽。表2-3-1及表2-3-3给出卷筒绳槽的尺寸。(a)单层绕单联卷筒；（b）单层绕双联卷筒；（c）多层绕卷筒图2-3-1卷筒的种类表表2-3-12-3-1计算项目计算公式符号意义卷筒名义直径DD=(e-1)dD卷筒名义直径（卷筒底槽直径）D钢丝绳直径e卷筒直径比，由表2-3-2选取（绳槽计算简图见下图）maxH最大起升高度m滑轮组倍率0D=D+d卷筒计算直径，由钢丝绳中心算起的卷筒直径1z1.5为固定钢绳的安全圈数1L无绳槽卷筒端部尺寸，由结构需要决定2L固定钢绳所需长度，2L3pSL中间光滑部分长度，根据钢绳允许偏角确定l多层卷绕钢绳总长度，l=maxHm绳槽半径RR=(0.530.55)d绳槽深度h标准槽h=(0.250.4)d深槽H=(0.60.9)d绳槽节距p标准槽P=d+(24)mm深槽P=d+(68)mm卷筒上有螺旋槽部分长0LpzxDmHL)(10max0+=卷筒长度单层单联卷筒dLdL=0L+2L+2L单层双联卷筒SLSL=2(0L+1L+2L)+dL多层绕卷筒L)(1.1dDnplL+=p=(1.11.2)d卷筒壁厚刚卷筒=d铸铁卷筒=0.02D+(610)mm汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第10页共33页n多层卷绕圈数p绳槽节距表表2-3-22-3-2卷筒直径比卷筒直径比ee机构工作级别e1M3M144M165M186M207M22.48M25注：1.采用不旋转钢丝绳时，e值按比机构工作级别高一级的值选取；2.对于流动式起重机，建议取e=16，与工作级别无关。绳槽表面精度分为两级：1级0R值；2级0R值。多层绕卷筒表面以往都推荐做成光面，为了减少钢丝绳磨损。但实践证明，带螺旋槽的卷筒多层卷筒时，由于绳槽保证第一层钢丝绳排列整齐，有利于以后各层钢丝绳的整齐卷绕。光面卷筒极易使钢丝绳多层绕时杂乱无序，由此导致的钢丝绳磨损远大于绳槽的卷筒。带绳槽单层绕双联卷筒，可以不设挡边，因为钢丝绳的两头固定在卷筒的两端。多层绕卷筒两端应设挡边，以防止钢丝绳脱出筒外，挡边高度应比最外层钢丝绳高出（11.5）d。2.4钢丝绳在卷筒上的固定钢丝绳在卷筒上的固定必须安全可靠，便于检查和更换钢丝绳。最常用的方法是压板固定（图2-4-1（a）它构造简单，检查拆装方便，但不能用于多层绕卷筒。图2-4-1（b）为锲块固定，锲块斜度为1：41：5。图2-4-1（c）为汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第11页共33页板条固定，将钢丝绳引入卷筒内的特制槽中，用螺钉板条固定，图2-4-1（d）为压板在卷筒侧板上固定，钢丝绳头引出到卷筒侧板外，用螺钉压板将绳头固定，构造简单。图2-4-1（a）只能用于单层绕卷筒，b、c、d三种固定方法除用于多层绕卷筒外，必须缩短卷筒长度时，也可用于单层绕卷筒。为减小钢丝绳对固定装置的作用力，在固定装置前必须在卷筒上留有1.53圈的安全圈。钢丝绳压板已标准化，根据钢丝绳直径从表2-3-3中选取。这种压板适用于各种圆股钢丝绳（GB110274）的绳端固定，不宜用于电动葫芦和多层绕卷筒。压板在卷筒上的布置见图2-4-1（a）一根绳端的压板数量不少于3块。2.4.1钢丝绳允许偏角钢丝绳绕进或绕出卷筒时，钢丝绳偏离螺旋槽两侧的角度推荐不大于05.3。对于光面卷筒和多层绕卷筒，钢丝绳与垂直于卷筒轴的平面的偏离推荐不大于02，以避免乱绳。布置卷绕系统时，钢丝绳绕进或绕出滑轮槽的最大偏角推荐不大于5，以避免槽口损坏和钢丝绳脱槽。2.4.2卷筒强度计算卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩，弯曲和转剪应力，其中压缩应力最大。当L3D时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的10%15%，只计算压应力即可。当L3D时，要考虑弯曲应力。对尺寸较大，壁厚较薄的卷筒还须对筒壁进行抗压稳定性验算。卷筒筒壁的最大压应力出现在筒壁的内表面，压应力c按下式计算:c=A1A2pSmaxc(2-4-1)式中c卷筒壁压应力（MP）maxS钢丝绳最大静拉力（N）汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第12页共33页卷筒壁厚（mm）P卷筒节距（mm）A1应力减小系数，在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，使绳圈紧度降低，钢丝绳拉力减小，一般取A1=0.75A2多层卷绕系数。多层卷绕时，卷筒外层绳圈的箍紧力压缩下层钢丝绳，使各层绳圈的进度降低，钢丝绳拉力减小，筒壁压应力不与卷绕层数成正比A2按表取值。c许用压应力。（a）压板固定；（b）锲块固定；（c）板条固定；（d）侧板上压板固定图2-4-1钢丝绳在卷筒上的固定方法汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第13页共33页表表2-4-12-4-1钢丝绳压板钢丝绳压板表表2-4-22-4-2AA22值值卷筒筒壁的稳定性与卷筒长度L直径D，同比厚度和压应力c等因素有关。如果DL值符合表2-4-3的要求，则筒壁不需要进行稳定性验算表表2-4-32-4-3DL值值注：L为卷筒端部侧板间或相邻筋板间的距离；c为筒壁中的名义压应力，pScmax=汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第14页共33页2.5卷筒内部应力和力学模型的分析在缠绕式起升机的设计中，卷筒强度问题一直是一个比较大的问题，根据有关部门的调查，国内使用期限达10年以上的提升机，其中80%发现有卷筒开裂、塌陷、开焊或连接螺钉剪断等现象。而卷筒往往体积和重量都较大，因此正确分析卷筒内部应力的特征，以便有针对性地设计合理的卷筒结构，对减轻卷筒重量、节省材料，有着重要的意义。卷筒主要受力包括钢丝绳的拉力T，支环传递来的扭矩Mn，支环的支反力1P和2P，还有钢丝绳缠绕对卷筒的作用力(为了分析简便，忽略了卷筒及钢丝绳的自重)。这些力的作用产生了卷筒的内部应力。作用在卷筒上的不同性质的力产生了不同的应力，分别分析如下。（1）弯曲应力钢丝绳拉力T对卷筒产生的应力是一种弯曲应力，由材料力学的知识可知当T作用在卷筒中央位置时对其产生的弯矩最大，其大小为:TMMAX=4L（2-5-1）式中，L为卷筒长度。而卷筒的抗弯截面模量为:)(3233dDWz=（2-5-2）式中，D为卷筒外径，d为卷筒内径。所以，钢丝绳拉力对卷筒的弯曲应力为:ZWMmaxmax=（2-5-3）（2）扭转应力支环对卷筒的扭矩Mn及钢丝绳张力T的联合作用，使卷筒产生扭转，卷筒的抗扭截面系数为:)1(1643=DWp（2-5-4）式中，为卷筒内径d和外径D的比值。故卷筒因扭转而产生的剪应力为:汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第15页共33页pnWM=max（2-5-5）（3）压应力由于继绕绳圈的螺距相对筒壁直径来说很小，为了简化计算可以把缠绕在卷筒上的螺旋绳圈看成为封闭圆环，在每一圈的范围内压力均布。绳的拉力为常数，卷筒是封闭良好的圆筒，金属结构各向同性，故可假定钢丝绳对筒壁的作用是轴对称的。在筒壁上沿卷筒轴线上截取单元长度的钢丝绳来分析，对于一段钢丝绳，其受力有两端的内力T和卷筒的支承力F，其受力图如图2-5-1所示。图2-5-1单元长度的钢丝绳受力图经分析有:2sin2dTF=（2-5-6）两边取极限有:TddTFdd=2sin2limlim00又因为卷筒受力F=F，设卷筒单位面积受力为q，则有：dsFq=tdrds=因此trTq=（2-5-7）式中，t为钢丝绳绳距，r:为卷筒半径。在轴向长度为dh，对应圆心角为d的弧段上，力F为:dhdrqF=由FdF=1可知：汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第16页共33页dhrqdFF=1而1F的作用面积=dhdA(其中为卷筒壁厚)，因此有:rqdhdhrqAF=d1压（2-5-8）又因为trTq=故有：tT=压（2-5-9）综合上述3项分别对弯曲应力、扭转应力及钢丝绳缠绕力所产生的压应力的分析，对卷筒内的应力分布可得出如下结论:由于起升机卷筒的直径很大，尽管筒壁很薄，但其截面惯性矩仍很大，故没有缠绕到筒壁上的钢丝绳拉力在筒壁上所引起的剪应力和弯曲应力相对很小，一般将此两项应力忽略不计。因此卷筒内部的应力主要表现为沿卷筒径向分布的压应力。这只是对单层缠绕卷筒进行分析得出的结论，当缠绕层数增加时，卷筒沿径向分布的压应力还会增大，还需乘上一个多层缠绕系数，与其它应力相比，差距更加显著。卷筒力学模型的分析由上面的分析可知，可将卷筒处理为弹性基础梁，其边界条件与支轮结构有关。具体分析情况如下:(l)铸造支轮和带加强筋的焊接支轮。其中，LI为筒壳与支轮连接的螺栓中心线到支轮内侧缘的距离如图2-5-2所示。图2-5-2汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第17页共33页1.9.01L时（r=258.1），可以认为是铰接结构，其力学模型如图2-5-3（a）所示。2.9.01L时，可以认为是固接结构，其力学模型如图2-5-3（b）所示。图2-5-3铰固接力学模型(2)弹性支轮。如圆板支轮或圆环支轮，此时应视圆板与筒壁为组合结构其的力学模型如图2-5-4所示。图2-5-4弹性支轮力学模型汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第18页共33页3卷筒优化设计的数学模型设xxxnXT.21=为n维向量，)(xf).21)(mIxgi=).21)(pmiXhi+=为给定的n元函数，则一般优化问题是:在约束条件).21(0)(miXgi=和).21(0)(pmiXhi+=之下，求向量X，使函数)(xf取得极小值或极大值。这里)(xf称为目标函数，0)(Xgi称为不等式约束条件，0)(=Xhi称为等式约束条件，xxxnXT.21=称为设计变量或决策变量。把上述问题归结为如下:求xxxnXT.21=)(minXf受约束于0)(Xgimi.21=0)(=Xhipmi.21+=上式就是常规优化问题一般形式的数学模型。优化设计的数学模型，就是描述优化问题的设计内容、变量关系、约束条件和优化意图的数学表达式。对于机械优化设计问题，它的数学模型是通过对设计问题的全面分析研究，根据设计对象的机理，设计准则，各变量间的依存条件及优化目标等抽象出来的一组数学表达式。数学模型是优化设计的基础和关键。因为数学模型是否能严密而准确地反映设计问题的实质，将直接关系着优化设计研究的成败，只有有了正确的数学模型，才能对照选择适当的优化方法来求解模型中的实现问题，从而得出优化设计的方案。所以，数学模型的建立是优化设计必要的准备和关键内容。优化设计的数学模型有三个要素：设计变量；目标函数；约束条件。汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第19页共33页3.1设计变量TDhx)(=其中卷筒壁厚H侧板厚度D卷筒直径3.2目标函数对起升机构卷筒来说，减轻卷筒自重是非常重要的。因此以卷筒的总体积为目标函数，卷筒各部分尺寸如图3-2-1所示。图3-2-1卷筒结构简图极小化目标函数为：hDdnDhLDDLDhf2)5.1(24)2()2(4)(min2222+=式中：L卷筒长度，dzL=1.1Z每层缠绳圈数，)()(1dnDnDzHaz+=H提升高度(由吊臂节数定)a倍率z固定于卷筒上的安全绕绳圈数d钢丝绳公称直径汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第20页共33页1D卷筒计算直径dDD+=13.3约束条件（1）强度条件a、铸造卷筒取卷筒长度上3D。考虑压力和弯曲应力的影响，有筒壳抗压强度条件约束：0)(=ydnFAxg侧板弯曲强度条件约束：0)(2=wnhFBxg式中：nA多层缠绕系数nB综合影响系数F钢丝绳所受的静拉力w许用压应力w许用弯曲应力w、w及nA、nB取值以建筑卷扬机设计规范为准。b、焊接卷筒筒壳强度条件约束为：0)(+=bccxg式中：c压应力，dFc5.0=bc弯曲应力，396.0DFbc=许用应力，ncbKK=cK按工作级别选取的系数汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第21页共33页nK安全系数端侧板弯曲强度约束为：22)321(44.1)(HFDDxgm=式中：mD卷筒内支承外径2F轴向力，FF1.02=(2)几何约束为了保证减速器能够直接且紧凑安装于卷筒内部，有约束条件：0)(min=DDxgj式中：minjD卷筒最小直经，由减速器优化得到。为满足设计规范要求卷筒直径大小约束为：018)(=Ddxg卷筒长度约束：03)(=DLxg(3)、保证各连续变量为正值约束0)(=xg0)(=hxg0)(=Dxg3.4说明(1)、由于卷筒有铸造卷筒和焊接卷筒两种，在约束条件中有不同的强度条件，因此用标识符足来标识卷筒类型如下：K=0铸造卷筒K=1焊接卷筒(2)、对建筑卷扬机设计规范中综合系数Bn的离散型数据采用最小二乘汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第22页共33页法进行线性拟合。(3)、卷筒入口参数为起重量、起升高度、卷绕层数、钢丝绳直径等。汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第23页共33页4卷筒的有限元优化设计4.1有限元软件的选择目前国际上应用比较广泛的有限元分析软件包括美国加利福尼亚大学研制的SPA软件、麻省理工学院研制的ADINA软件、美国国家航空与宇航局研制的NASTRANI软件以及ANASYS软件等。其中，ANSYS软件是融结构，流体，电场，磁场，声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发。ANSYS公司成立于1970年，总部位于美国宾西法尼亚州的匹兹堡目前是世界CAE行业最大的公司。近30年来，ANSYS公司一直致力于分析软件的开发，维护及售后服务，不断吸取当前世界最新的计算方法和计算机技术，领导着有限元界的发展趋势，并为全球工业界所广泛接受，拥有全球最大的用户群。ANSYS软件可广泛用于核工业，铁道，石油化工，航空航天，机械制造，能源，汽车交通，国防军工，电子，土木工程，造船，生物医学，轻工，水利，日用家电等一般工业及科学研究，该软件可在大多数计算机及操作系统中运行，从PC机到工作站直到巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS的多物理场耦合功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如:热一结构耦合，磁一结构耦合以及电一磁一流体一热耦合，在PC机上生成的模型同样可运行巨型计算机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程问题的求解.ANSYS软件不但程序功能强大，涉及范围广，而且它友好的图形用户界面(GUI)及优秀的程序构架使其易学易用，该程序使用了其于Motif标准的易于理解的GUI。通过GUI可方便地交互访问程序的各个功能，命令，用户手册和参考材料，并可一步一步地完成整个分析，因而使ANSYS易于使用。同时，改程序提供了完整的在线说明和状态途径的超文本帮助系统，以协助使用有经验的用户进行高级应用。ANSYS开发了一套直观的菜单系统，为使用系统提供导航，用户输入，可通过鼠标或键盘完成，也可以二者一起使用。汽车起重机起升机构卷筒的优化设计第24页共33页基于上述的ANSYS软件的特点以及本文中的卷筒优化设计的特点，选择ANSYS软件作为本文的有限元分析软件。4.2卷筒有限元建模时的处理方法有限元分析结果的可信度高低直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程结构力学特性符合程度的影响，建立有限元模型时既要如实的反映实际结构的重要力学特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态，以保证较高的计算精度及缩小解题规模。（1）模型的简化处理起升机卷筒多属焊接薄壁结构，在模型简化时将卷筒和钢绳做如下假设:1起升机卷筒是封闭圆柱薄壳，材料均质且各向同性；2把绕在卷筒上的螺旋绳圈处理为绳环；3同一绳圈中的张力为常数，压力均匀分布在卷筒容绳宽度上；4钢丝绳对端侧板的轴向推力视为均布载荷。这样，由于卷筒结构和外载荷的轴对称性，把卷筒作为受轴对称均布载荷的实体进行简化。根据对称性原理，简化模型取整个卷筒的12，这样既节省了计算资源又能够真实的反映实际情况。(2)边界条件的处理根据对起升机构工作情况的分析可以看出，在支轮轮毅与轴的连接处变形很小，因此，将两支轮轮毅与轴的连接处看成边界条件，即约束。其一端视为固定约束，另一端在轴上可以有一些移动，但在其它方向的位移和转角都被约束。在有限元模型约束处理中，将一端加全约束，另一端加非轴向的两个约束。在剖面处，根据对实际情况的分析，应该施加对称约束，即在剖面处只有径向位移，而无其它方向的位移。(3)载荷的处理a.筒壁载荷的处理根据卷筒内部应力的分析可知，卷筒内部的应力主要表现为沿卷筒圆周方向分布的压应力。由式4-7，再考虑到第二层、第三层钢丝绳缠绕