大长细比起重臂的非线性相似设计机理及系统相似动力学分析方法研究

During the construction of national major field (such as energy development), truss or box telescopic working structure is usually adopted for the large lifting machinery boom system.With the use of the structure of large slenderness ratio, and lightweight and high strength material, this type of structure shows nonlinear characteristics. Solving stand-alone design and manufacturing problems by means of analogy and imitation, it lacks systematic product spectrum plan and serialization of design methods and theoretical basis in domestic. Aiming to the deficiency of classical similar theory, which causes the application limitation, the project gives examples of truss crawler crane and box telescopic boom aerial working truck, studys similar criteria between the prototype and design goals under conditions of nonliner dimensions and constraints ,such as large structural deformation, variable materials and variable boundary and so on,establishes nonlinear dynamical response similarity criteria , explores dynamic similar laws in different scales similar designed model by taking a combination of experimental and theoretical analysis method,builds quantitative evaluation criteria to objectively describe the similarity between the prototype and design goals, summarizes quantitative evaluation method in critical dimensions and its associated physical parameter's precision between prototype and design goals. Research results of the project has important theoretical and practical value for the rapid design of large serial engineering machinery.

能源开发等国家重大工程领域施工建造中所需的大型起重机械的臂架系统多采用桁架或箱型伸缩工作结构，大长细比的结构形式、轻质高强材料的选用致使该类结构具有明显的非线性特征。国内通过类比、仿制方法解决单机设计与制造问题，缺乏系统的产品型谱规划及系列化设计方法和理论基础。本项目以桁架式履带起重机、箱型伸缩臂式高空作业车为例，针对经典相似理论在非线性领域存在理论不完善而导致应用受限的问题,研究结构大变形、变材料、变边界条件等非线性尺度与约束条件下的原型与设计目标的相似准则；研究非线性动力响应相似规律，采取实验与理论分析相结合的方法，探究多个尺度相似设计模型的动力学相似规律；建立客观地描述相似度的定量化评价标准，归纳原型与设计目标之间关键尺寸及其相关联物理参数精确度的定量化评价方法。项目研究结果对于大型工程机械的系列化快速设计具有重要的理论意义和应用价值。

国家重大能源领域施工建造中所需的大型工程机械的工作结构多采用桁架或箱型伸缩结构，大长细比的结构形式、轻质高强材料的选用导致该类结构具有明显的非线性特征。国内缺乏系统的产品型谱规划及系列化设计方法和理论基础。本项目以桁架式履带起重机、箱型伸缩臂式高空作业车为例，针对经典相似理论在非线性领域存在的理论不足导致适用性不强的问题,研究结构大变形、变边界条件等非线性尺度与约束条件下的原型与设计目标的相似准则；建立非线性动力响应相似准则，探究不同尺度相似设计模型的动力学相似规律；建立客观地描述原型与设计目标之间相似度的定量化评价标准，总结归纳原型与设计目标之间关键尺寸与物理参数精度的定量化评价方法。项目研究结果对于大型工程机械的系列化快速设计具有重要的理论意义和实际应用价值。. 理论上，① 针对大长细比起重臂的系列化设计及创新设计问题，给出相似设计方法，探索建立相似设计的理论依据；②针对大型臂架式起重机在大范围运动中所表现出的柔性特性，选择工程中常见的履带式起重机桁架臂作为研究对象，建立了桁架式起重臂的动力学模型，运用Simulink数值仿真得出了柔性起重臂在大范围运动下动力学特性。结合相似原理，给出动力学特性间的相似关系，从而为柔性起重臂的系列化设计提供一种设计思路；③以具有大长细比特征的伸缩起重臂为研究对象，分析其结构特征并建立了相应的模型，依据大位移理论和有限单元方法对其进行求解，叙述迭代计算的方法并编制Simulink仿真模型，结合相似理论，推导出伸缩臂内在关系的相似关系式，以此指导伸缩臂的快速和系列化设计；④以具有大长细比特征的伸缩起重臂为原型，通过相似理论找到非线性相似设计方法，得到系列化产品模型，再与市面上的同类型产品的性能（刚度、强度和稳定性）作比较，得到其性能的评价体系。（2）应用上，开发了基于相似性原理的汽车起重机伸缩臂的快速设计软件，并能实现同类产品性能评价体系。