摘 要

对于起重机工作工况的复杂和多样性，能否对重机进行合理的设计将直接关系到起重机的性能和经济性的优劣，传统的起重机计算分析方法已经逐渐不满足当代技术要求，单纯采用有限元手段对起重机进行静力学或者单纯采用刚体力学系统进行分析，难以准确对起重机进行动态分析以及受力变形的分析。本文结合ANSYS和ADAMS来建立集装箱门式起重机的刚柔耦合动力学模型，可以更准确地模拟集装箱门式起重机的运行工况和结构受力情况。本文的主要工作内容包括：

（1）对集装箱门式起重机小车载重起升动力学和小车高速运行时吊重摆动动力学这两个部分进行了建模与理论分析。

（2）以LMQ3535型集装箱门式起重机作为建模样本，利用SOLIDWORKS建立了其整机三维模型，在此基础上，利用ADAMS软件对不同部件之间添加约束和驱动，完成刚体动力学模型的建立，运用ANSYS软件生成的模态中性文件对受力较复杂的门架结构进行了柔性体建模。将柔性体模型导入ADAMS软件中替换掉门架结构的刚性体，最终完成刚柔耦合动力学模型的建立。

（3）利用所建立的刚柔耦合动力学模型，对集装箱门式起重机的主要机构进行了运动学仿真，对小车-吊重系统进行了摆动动力学仿真分析，分析了起重机在重载起升和运行工况下的门架结构应力及变形，最后对整机进行了模态分析。

关键词：集装箱门式起重机；动力学分析；仿真；刚柔耦合；建模

Abstract

For the complexity and diversity of working conditions of the crane, whether or not the heavy machinery can be properly designed will directly affect the performance and economic efficiency of the crane. The traditional method of calculation and analysis of cranes has gradually failed to meet the requirements of modern technology. It is difficult to accurately analyze the dynamic characteristics of the crane and the force deformation by using the static mechanics based on ANSYS or simply using the rigid body mechanical system. This thesis combines ANSYS and ADAMS to establish the rigid-flexible coupling dynamic model of container gantry crane, which can more accurately simulate the operation condition and structural stress of container gantry crane. The main work of this thesis includes:

(1) Modeling and theoretical analysis were carried out on the lifting dynamics of the container gantry crane trolley and the swing dynamics of the trolley at high speed.

(2) Using the LMQ3535 container gantry crane as a modeling sample, using SOLIDWORKS to establish a three-dimensional model of the whole machine, based on this, using ADAMS software to add constraints and drivers between different components to complete the establishment of a rigid body dynamic model Using the modal neutral file generated by ANSYS software, flexible body modeling was performed on the more complex gantry structure. The flexible body model was imported into the ADAMS software to replace the rigid body of the gantry structure, and finally the rigid-flexible coupling dynamic model was established.

(3) Using the established rigid-flexible coupling dynamics model, the kinematics simulations were performed on the main mechanisms of the container gantry crane, and the swing dynamics simulation analysis was performed on the trolley-crane system, and the crane was lifted on heavy load. The stress and deformation of the gantry structure under working conditions were finally analyzed by modal analysis of the complete machine.

Keywords:Container;gantry;crane;dynamic;analysis;simulation;rigid-flexible coupling;modeling

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

起重机指用吊钩或其他取物装置吊挂重物，在空间进行升降与运移等循环性作业的机械，起重机是重型物料搬运的专用机械，在机械工程领域有着广泛的应用^[1]。在构造方面，起重机按照其构造特征，在实际应用中主要分为三类：桥架型起重机，臂架型起重机，以及缆索型起重机。它因种类、功能多样，被广泛运用于港口物流。

在中国经济与现代化蓬勃发展的在道路上，各个行业也在逐渐走向大众的视野，钢铁行业以及基础设施建设等行业越来越受到国家的重视，同时作为港口运输的重要工具起重机行业也得到了快速发展。20世纪以来，随着计算机技术的发展，计算机技术与力学、应用学、图形学等学科的完美结合，工程机械研发领域已经取得了很多实质性的进展^[2]。众所周由于起重机工作的复杂性，以及在港口环境下工作情况的恶劣，起重机的金属结构部件易出现疲劳磨损甚至破坏的情况，轻者影响工作效率，严重会威胁到工作人员的人身安全，因此，在起重机设计时，起重机金属结构的研究和设计是起重机在设计制造安全合理的起重机过程中极为重要的环节之一。

目前在设计时主要还是结合传统力学和以往的经验数据来计算金属结构的承载能力，在计算载荷影响时，按照以往的经验来取动载系数和安全系数。但是由于门式起重机的发展，为了提高生产率，增大跨度和机构运行速度的提升等原因，起重机工作时载荷的动态效应对起重机结构的影响愈加明显。为了保证安全可靠，会将安全系取得较大，导致起重机的结构笨重，经济性降低。靠经验选取动载系数来设计结构的方法日益显示出弊端来。由于港口机械的设计方法多采用静态设计为主，在设计和计算上一般使用经验法的方法选取动载系数考虑动载的影响^[3]，但实际的动载效应往往不能够得到精确求解^[4].因此在对起重机械进行设计时就必须将种动载荷的作用纳入设计需要考虑的范围之内范围内，这样可以帮助设计的起重机更加安全合理。而在港口机械研制过程中引入动力学仿真技术可以有效的解决这一问题。除了优化这一块，用ADAMS和ANSYS等软件对起重机进行动力学仿真还可以全面分析和评价门式起重机在特殊危险工况下的安全性能，保证机构正常运行^[5]。而在除了仿真，我们可以对起重机整体结构进行受力分析，这也可以为检验起重机的工作提供一定的技术支持。

利用仿真模型可以模拟起重机各机构在不同工况下的运动，对起重机进行仿真分析，从软件得出的分析结果可以直观的观察构件受力情况。结合不同的各有所长的计算机软件和理论对起重机进行仿真分析，是一种科学有效的方法。随着有限元理论日益成熟和完善，有限元分析方法在起重机机构受力分析和优化设计中的应用也越来越广泛,利用有限元分析可以分析负载对起重机结构的影响^[6]。刚柔耦合的建模方法可以实现对起重机整在不同工况下进行仿真，可以得到比传统分析方法的更加贴近实际工作情况的比较准确的分析数据。对于起重机动力学分析而言，采用有限元数值分析的方法，可以有效减少动力学方程，降低系统质量矩阵的阶数，使模型建立变得简单快捷，同时其规范化、程式化，解题效率和精度较高^[7]。针对门式起重机的刚柔耦合动力学仿真，相比起传统的静力学理论分析或者忽略构件受力变形，将起重机所有构件全都视作刚体的全刚体建模而言，对起重机的性能分析接过会更加接近实际的工作情况，分析结果会更加可靠和准确。

总之，运用SOLIDWORKS、ADAMS、ANSYS软件平台建立起重机的虚拟样机，是一种科学、高效和环保的方法，减少设计时对于物理力学模型的过分依赖，利用相关软件的力学分析功能，可以在改善传统起重机设计时机构的安全性、准确性、经济性等方面的劣势，不失为一种容易实行并且有力的工具。结合利用不同的建模分析软件在各自领域的优势，采用合适的建模方法对起重机进行设计和受力分析，不仅可以很大程度地避免在使用传统方式时复杂而又缺乏足够准确性的分析计算，同时还可以在计算机环境下不依靠实物的操作来模拟机构的运动。借助软件分析和建模可以更好的验证设计的合格性，能及时帮助设计人员发现并改善设计中的不足，是当代机械设计的重大突破。

1.2 国内外发展和研究现状

刚柔耦合系统动力学是考虑了刚柔耦合效应作用下的多柔体系统的动力学，被主要用来分析和研究柔性体的变形和它的运动之间的相互作用^[8]。刚柔耦合动力学是与经典动力学、连续介质力学、现代控制理论以及计算机技术紧密关联的新兴交叉学科^[9]。多刚体系统动力学已经发展了两百余年，被主要运用于处理多个刚体组成的系统动力学分析，然而随着现代科学技术和经济的发展，现代机械被赋予了越来越多功能，同时随着机构功能的增多，系统的结构和运动也越来越复杂，导致机构的结构和运动学等方面的计算和分析也日趋复杂，所以仅仅使用多刚体力学对机构进行研究和分析是远远不够的。随着现代化进程的加快，机械朝着轻量化和高速化的趋势已不可避免，在如今的机械行业中，对于系统的研究也面临着各种复杂的结构分析和以及复杂的动力学、运动学等问题。在这种发展趋势下，刚柔耦合效应已逐渐成为机械领域发展的重要部分和研究热点。

同时随着港口物流事业的发展，起重机的需求量快速提高，门式起重机的设计方法和设计手段也有了很大程度上的发展^[10]，比如虚拟样机技术在起重机领域的运用，虚拟样机技术是一项建立于计算机技术基础上的概念。对于这项技术而言，机械运动学、多体动力学和有限元分析和控制就是它的核心部分。虚拟样机技术可以被用来建立数字模型，因此它还有数字化功能样机的称号。利用虚拟样机技术对物体进行计算机建立模型，在计算机环境下模拟物体在实际工作情况进行仿真分析，能够反映例如物体实际的外观、运动学特性、动力学特性以及空间关系等特性。这些功能可以帮助指导和优化对于有关物体理论设计的优化，以及可以帮助分析在物体处在较为多样化环境下的状态分析。

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