开题报告-基于性能分析的货架梁柱节点配置设计.doc

n 毕业设计（论文）开题报告课题名称： 基于性能分析的货架梁柱节点配置设计 学 院： 机械工程学院专 业： 机械工程及自动化姓 名： 学 号： 指导教师： 二一六 年 一 月 三十 日目录一 课题背景21.1 研究背景21.2 研究意义2二 文献调研5三 课题目标5四 课题内容5 4.1 课题内容介绍6 4.2 技术路线6 4.3 可行性分析6 4.4 关键技术分析6五 与课题相关工作基础和条件7六 日程安排8七 参考文献91.课题背景 1.1 研究背景 在日新月异的21 世纪，在迅猛发展的现代工业背景下，物流显得越来越重要，物流行业也迅猛发展起来。自动化立体仓库的产生与发展是第二次世界大战之后生产和技术发展的结果。20世纪60年代以来，为了适应现代工业高度自动化和大批量生产的需要，提高仓储密度及转运效率，降低仓储费用，各国相继建设和发展了高度自动化的立体仓库，普遍采用多层钢货架结构作为其储存系统。 在横梁式货架钢结构中，结构纵向的水平抗侧刚度主要由梁柱节点提供，同时，梁柱节点的转动刚度与转动能力也直接决定了货架在循环荷载与地震荷载作用下的耗能能力，在设计中必须保证梁柱节点具有足够的强度和刚度，因此，了解梁柱节点的性能具有重要的现实意义。1.2 研究意义钢货架梁柱节点的性能对于结构的整体性能有非常重要的影响在横梁式货架钢结构中，结构纵向的水平抗侧刚度主要由梁柱节点提供，同时，梁柱节点的转动刚度与转动能力也直接决定了货架在循环荷载与地震荷载作用下的耗能能力，在设计中必须保证梁柱节点具有足够的强度和刚度，因此，了解梁柱节点的性能具有重要的现实意义。课题结合企业实际需求，根据欧洲起重机行业协会设计标准FEM，完成货架梁柱节点的力学性能分析与结构优化。2.文献调研从20 世纪末期至今，冷弯形钢构件广泛的应用在存储式货架结构当中，随着国家经济的迅速发展壮大，国内货架市场以较快的速度在发展。钢货架结构种类繁多，根据不同的需求，大体可以分为组装式货架、整体式货架和库架合一式货架3 类。其中组装式货架是指组成货架的横梁与立柱间采用机械式锁紧装置连接且与建筑物分离的可拆装的货架；整体式货架是指货架的结构构件均采用焊接或螺栓连接且与建筑物分离的固定式货架，主要运用于自动化、半自动化或手动的立体仓库；库架合一式货架是指货架兼作建筑物承重结构的固定式货架，这类货架除承受货物荷载外还作为库房的骨架支承屋面和墙面围护结构，可用作自动化或半自动化立体仓库。其中以组装式货架最为常见。目前国内对半刚性节点的单调加载进行了较多的理论分析、实验研究及有限元分析，并对节点的弯矩转角（M-曲线）进行了拟合，拟合方式包括线性模型、多项式模型、样条模型、幂函数模型、指数函数模型等，并在这方面已经取得了较多的研究成果，同时也对其相应的节点的破坏模式、工作机理进行了详细的阐述。东华大学李云龙、吕志军、项前、张森臣为研究薄壁型钢结构货架中梁柱节点结构的半刚性力学性能，完成了不同立柱、横梁、挂片组合梁柱节点结构的性能试验。测试数据表明，使用横截面积大的立柱和横梁组合，配合多锚钉挂片，可大幅提高梁柱节点结构的半刚性刚度值。同时运用有限元分析软件ANSYS 模拟性能试验，对相应梁柱节点结构进行非线性有限元分析，从拟合半刚性刚度值和变形模态两方面对比验证仿真与试验的一致性，并由刚度值和应力状态得出横梁焊接在挂片位置上方时为最优。2009 年，王海明研究了冷弯薄壁型钢受弯构件的稳定性能，分析了畸变屈曲发生的条件，并建立了适用于纯弯和非纯弯状态下的直接强度法公式。同济大学的王拓、赵宪忠、陈以一在2010年阐述了国内外关于组装式钢货架结构研究现状。钢货架结构在世界范围内被广泛应用于仓库货物的存储。一般由冷弯薄壁型钢构件组成。组装式钢货架结构具有安装简便、形式灵活等优点，逐渐成为市场的主流。而其具有的截面异型、构件开孔、节点形式独特、抗侧刚度有限、尽可能轻质经济等特点，使组装式钢货架结构成为设计复杂、区别于传统钢结构的独立式结构。国外针对钢货架结构的设计研究历经数十年，形成了较为明确的设计方法，编制的规范规定，通过试验精确确定钢货架结构构件的特性，进而在构件基础上进行整体结构的分析设计。陈树勋、李威龙曾提出一种实用的机械结构优化设计方法-ANSYS与导重准则结合法，该方法既能利用结构分析软件ANSYS有限元建模、分析求解与结果输出方便的优势,又能发挥结构优化理性准则法。导重法优化效果好、收敛快的优越性,一般只需约57次优化迭代计算，即可得到十分显著的优化效果。大大提高了设计效率与设计质量。其优越性与实用性在某双模轮胎硫化机的优化设计实践中得到充分验证。祁卓娅认为模块化设计的核心思想是将产品进行模块化划分后，通过对某些模块进行重新设计或变异设计得到新的产品，以满足客户对产品个性化的需求。文节在深入研究、综述模块化设计原理与方法的基础上，建立了集成式的模块化设计的总体流程；同时深入研究了各种模块划分的方法，并以此为基础，提出了一种柔性化的模块划分方法。张萌曾对机械产品模块化配置设计进行了论述，大规模定制致力于以大规模生产的效率和成本向市场提供多样化和个性化的产品，已经逐步成为现代制造模式发展的主要趋势。产品配置设计是实现大规模定制的关键使能技术之一，有助于企业提高获取客户订单的效率，缩短产品设计周期，以较低成本迅速满足用户的个性化需求，从而提升企业的响应能力和竞争能力。基于模块化的产品配置设计作为一种主要的配置技术手段，是实现产品快速定制的核心与关键。虽然国内外关于冷弯薄壁型钢受弯构件的稳定性能的相关研究已经比较深入，但是，对于梁柱节点性能试验却仍有待进一步研究，国内目前有东华大学与上海物流仓储设备工程技术研究中心共同合作，依据起重运输机械协会制定相关的标准，参考了欧盟物流设备标准中对梁柱节点配置的测试方法，加以研究创新，不断突破，进行梁柱组合性能试验数据采集装置开发，正在努力尝试弥补国内相关领域的空白.3. 课题目标(1). 调研相关研究方法，收集与课题相关资料，重点是横梁式货架设计、力学性能分析、程序设计方面的研究文献，(2). 整理起重运输机械协会制定相关的标准，研究分析系统总体结构；(3). 企业调研，分析研究梁柱节点的基本结构，建立有限元模型并与试验数据进行校核；(4). 研究开发梁柱节点配置设计系统，实现基于性能的节点配置方案(5). 整理各类文档，撰写毕业论文4.课题内容4.1 课题内容介绍4.11梁柱节点力学性能测试与分析对梁柱节点的研究一般是对节点弯矩-转角关系的研究，因为弯矩-转角曲线是对节点弯曲行为最好的描述对于组装式钢货架梁柱节点。其性能主要由梁端节点的转动控制。尽管最终破坏始于挂齿切入立柱或挂齿破坏，但是破坏总发生在最大弯矩之后。故节点的弯矩-转角关系最能反映其特性。通过弯矩-转角曲线确定其刚度和承载力。 由于节点类型的多样性和机械式互锁装置的复杂性尚无实用的理论分析方法，目前最普遍的方法是通过试验获取弯矩转角曲线。各国货架规范规定及研究学者采用的试验主要有两种悬臂试验和门架试验。4.12基于有限元的梁柱节点性能仿真对梁柱节点的性能分析，利用ANSYS 有限元分析软件建立了货架半刚性梁柱节点的三维有限元模型，包括单元选取、节点处理、网格划分等。考虑到半刚性结构中存在塑性变形，这里应用非线性分析模拟梁柱节点的悬臂梁试验并取得了良好效果。采用模拟梁柱节点力学性能试验很好地解决了梁-柱节点试验消耗大量材料及时间，资源消耗大等问题，达到用数字化模拟方式实现梁-柱节点半刚性力学性能分析的目标。4.13梁柱节点性能配置设计技术研究梁-柱节点是横梁式货架设计中的关键部件，是联系托盘横梁和立柱的枢纽，其安全性直接影响货架的整体工作性能。产品配置设计是实现大规模定制的关键使能技术之一，有助于企业提高获取客户订单的效率，缩短产品设计周期，以较低成本迅速满足用户的个性化需求，从而提升企业的响应能力和竞争能力。基于模块化的产品配置设计作为一种主要的配置技术手段，是实现产品快速定制的核心与关键。4.2 技术路线绪论提出课题 梁柱节点研究现状配置分析模块化设计理论基础有限元分析承载货物的规格分析研究分析设备所处的环境因素进行有限元分析立柱结构运动仿真横梁结构结构设计连接端结构结构上的修改进行有限元分析结构优化总结结构优化方案设计结构上的修改仿真结果分析夹装结构三维仿真研究结果及后续改进总结4.3 可行性分析 自己熟练掌握SolidWorks以及ANSYS软件的操作。经过自己查阅资料、进行文献调研，已经对这项课题有了大致了解。另外，在有导师的指导，以及科研基地的支持，完成这项课题是完全可行的4.4关键技术介绍 4.41有限元分析（FEA，Finite Element Analysis） 利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。 4.42产品配置化设计技术产品配置设计是实现大规模定制的关键使能技术之一，有助于企业提高获取客户订单的效率，缩短产品设计周期，以较低成本迅速满足用户的个性化需求，从而提升企业的响应能力和竞争能力。基于模块化的产品配置设计作为一种主要的配置技术手段，是实现产品快速定制的核心与关键。4.43梁柱节点半刚性测试技术根据欧盟物流设备标准FEM 10 2 02托盘钢货架静力设计中的规定，货架梁柱节点的刚度和弯曲强度由对节点进行弯曲试验来确定。影响梁柱节点刚度和弯曲强度的因素主要有: 立柱的类型、立柱钢材的厚度、横梁的类型、横梁在挂片上的相对位置、横梁与挂片的连接方式、材料的力学性能等。测试方法是对梁柱节点结构悬臂梁端加载垂直向下的作用力F。开始测试时，首先对横梁预加载一个初始载荷F，大小为预期失效载荷的10%，使挂片上的锚钉与立柱卡槽接触充分。然后卸载此预加载荷，对各检测仪表进行清零复位操作。此后开始正式加载，控制提供向下压力的液压缸，使得载荷F逐渐增加，直至挂片结构发生失效破坏为止。 5.与课题相关工作基础和条件5.1 相关工作的基础和条件1. 学院：东华大学机械工程学院 东华大学机械工程学院成立于1999年，具有悠久的办学历史。近几年，该院教师先后承担和完成了一批国家“863”高技术研究发展计划项目、国家自然科学基金项目、国家和省部市级重点攻关项目和企业合作科研项目。一些成果先后获得国家发明奖、国家科技进步奖和上海市科技进步奖，一些成果获国内外发明专利。机械学院在纺织机械、先进制造技术、机电一体化和工业设计等方面已形成特色，在国内外具有一定影响。2. 合作企业：上海精星仓储设备工程研究中心 上海精星仓储设备工程研究中心隶属于上海精星仓储设备工程有限公司，公司的前身为上海金星货架厂，创建于1989年，是专业从事自动化立体仓库货架、工业用组合式货架等仓储物流设备的设计、制造、安装、调试的企业。作为亚洲最大的工业仓储物流设备制造商和大型物流工程承揽商之一，精星占地15万平方米，地处上海市级开发区莘庄工业区和松江工业区。6.日程安排 序号设计（论文）各阶段名称 日期备注1调研、开题报告、外文翻译11月28日1月28日2分析研究课题任务，总结FEM 标准梁柱设计原则与规范3月1日3月31日3建立多种形态梁柱3D 模型4月1日4月15日4梁柱性能试验,有限元结构建模4月16日4月30日5总结计算结果并进行结构优化5月1日5月15日6整理图纸,笔记，撰写论文5月15日5月31日7答辩6月1日 6月15日7.参考文献1.李云龙，吕志军，项前，张森臣，梁柱节点半刚性力学性能试验与有限元仿真，四川建筑科学研究2.邓君宝，冷弯薄壁开孔货架立柱稳定性能研究J.哈尔滨工业大学，2010年7 月3. 王拓，赵宪忠，陈以一，组装式钢货架结构研究现状.建筑钢结构进展，2010年12月4.祁卓娅，机械产品模块化设计方法研究，机械科学研究总院，2006年 王占军, 周美英，仓储货架的静力及屈曲有限元分析，河海大学常州分校学报，第16 卷第2 期，2002 年6 月：P33-355.张萌，基于产品族的机械产品模块化配置设计关键技术研究，国防科技大学6. 汪伟浩，钢结构货架90 系列立柱稳定性试验分析，科技经济市场，2006 年07 期：P65-667. 李茜、董军、陆洋，中欧钢货架结构设计规范的比较，钢结构，2008年第1 期第23 卷总第108 期，2005：P118-1218. 王转、梅宝兴、程国全. 基于全参数化建模的工业货架设计分析系统.中国机械工程第17 卷第15 期2006 年8 月上半月：P1583-15859. 胡国良, 任继文编著，ANSYS 11.0 有限元分析入门与提高，北京:国防工业出版社,200910. 张洪信, 赵清海等编著，ANSYS 有限元分析完全自学手册，北京:机械工业出版社,2008.0311. 危晓丽,余绍锋, 货架钢结构的结构研究现状, 工业建筑, 2008 年第38 卷增刊, pp546-61312. 丁成节, 冷弯轻钢骨架构件国内外的发展现状分析, 钢结构2003 年第6期第18 卷总第68 期13 王拓，赵宪忠，陈以一，组装式钢货架结构研究现状14.宋佼佼,单立柱巷道堆垛机的有限元分析与运动仿真15.祁卓娅,机械产品模块化设计方法研究16.陈树勋,李威龙,一种实用的机械结构优化设计方法,机械设计,2003,20（1）pp41-4317.张晓川,现代仓储物流技术与装备,化学工业出版社，2003.8.18.秦同瞬,杨承新. 物流机械技术,人民交通出版社，2000.7.19.范祖尧,起重运输机械设计基础,机械工业出社，1988.8.20.刘昌祺,董良.自动化立体仓库设计,机械工业出社，2004.5.21.裘为节,吴锡忠. 实用起重机电气技术手册,机械工业出社，2000.622.唐涛,刘志峰,刘光复等.绿色模块化设计方法研究J.机械工程学报,2003, (39)11: 149-15423.中国物流技术协会信息中心,自动化立体仓库在现代物流系统中的运用及展望,物流技术与应用,2011,5:87-8924.赵韩,宋晖,朱家诚,基于SolidWorks的模块化设计关键技术研究,组合机床与自动化加工技术,2004（