機械研究生開題報告范文
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導語：機械研究生的開題報告范文包含哪些內(nèi)容呢?機械研究生的開題報告的選題的應用前景是什么呢?下面是小編分享的機械研究生的開題報告范文，歡迎大家閱讀。
一、 擬選定學位論文的題目名稱
瀝青攪拌樓的樓架結構分析
二、 選題的科學意義和應用前景
選題的科學意義：
大型機器的支撐基礎，承受著由機器的不平衡擾力引起的振動和機器的自重等，如其振動過大，將會影響機器的加工要求或無法正常運轉，甚至損壞機器和影響鄰近的設備、儀器和人員的工作和生活，嚴重的還會危及建筑物的安全。因此動力機器的基礎結構分析具有重要的意義。
我國對于動力機器基礎正式研究起于上世紀七十年代，在八十年代主要編制成了國家標準《動力機器基礎設計規(guī)范》和《設計手冊》，這對于動力機器基礎設計和分析提供了重要依據(jù)和參考。近年來對于動力機器基礎結構的研究，往往集中于對壓縮機、壓力機、運輸機、配料機等機器基礎的設計和結構分析。對于工業(yè)上應用的更復雜的設備，像由振動篩、攪拌器等多個動力機器組成的大型瀝青攪拌樓，對于這種往往由多個動力機器組合的大型設備的樓架問題研究的幾乎沒有。另一方面研究人員僅僅采用單一理論計算方法計算擾力值，振動幅值等，計算方法和參數(shù)的選擇并不統(tǒng)一，或考慮不夠全面造成結果各不相同或不接近實際。
針對以上問題，本文擬考慮多臺設備共同作用時的振動合成，如考慮攪拌機的振動擾力和振動篩的擾力，并考慮如風載、靜載、動載多種載荷情況下樓架的承載和振動情況。同時在理論計算的基礎上,采用有限元分析軟件對樓架進行模態(tài)分析,獲得結構的頻率和振型,然后進行分析，根據(jù)分析結果優(yōu)化樓架設計,并再次進行有限元計算,驗證改進方案的可行性。
選題的應用前景：
瀝青混凝土攪拌設備是瀝青路面機械化施工的關鍵設備，近20年來,我國公路交通事業(yè)發(fā)展迅猛,公路機械化施工因此獲得巨大進步,特別是對參與高速公路瀝青路面工程建設的企業(yè)來說,擁有大型瀝青混凝土攪拌設備已是市場準入條件之一。而其樓架部分是攪拌樓的重要承載機構，其設計首先必須保證機器的特定工作要求，滿足振動和抗振的要求。
樓架作為瀝青攪拌樓的支撐基礎，它在各種工況下承受著巨大的載荷。若局部的應力過高會導致結構被破壞，因此需要對樓架結構剛強度和抗振性及穩(wěn)定性進行分析，避免樓架的破壞同時合理選擇樓架鋼材的截面尺寸等，這樣可以保證瀝青攪拌樓的樓架在滿足安全性的前提下節(jié)約材料，因此對企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟性具有重大意義。
企業(yè)中瀝青攪拌樓的樓架設計往往利用技術人員的經(jīng)驗設計，即直接采用特定的結構和尺寸進行生產(chǎn)制造。本文的選題來源于企業(yè)，是對現(xiàn)有某型號瀝青攪拌樓的樓架安全性和經(jīng)濟性進行驗算分析或在進一步優(yōu)化設計，這樣可以有效地降低設計成本，更具經(jīng)濟性。
選題中由于瀝青攪拌樓的樓架高度較高，所以要考慮多種載荷情況下樓架的承載和振動情況。同時采用有限元軟件進行分析，更好的展現(xiàn)在工作情況下樓架的實際情況，顯現(xiàn)出樓架中的危險部分，可以針對問題對樓架機構進行進一步的改進和完善，優(yōu)化樓架，為瀝青攪拌樓樓架的設計提供有力的依據(jù)。這些對于大型復雜設備的支撐基礎設計都具有一定的參考意義。
三、 背景科研項目情況簡介
此課題來源于工程實際，是以無錫錫通科技集團某瀝青攪拌樓設計為背景展開的。其樓架結構分析是攪拌樓設計工作的重要組成部分。此課題的完成將為企業(yè)進行各種型號瀝青攪拌樓的樓架設計提供重要依據(jù)。
四、 學位論文主要研究內(nèi)容
動力機器基礎設計應根據(jù)基礎本身質量、剛度的分布、設備的質量和剛度、地基的影響、擾力大小和相位等因素,確定安全可靠、適用、經(jīng)濟合理和技術先進的方案。
本論文是對企業(yè)中已有的樓架安全性與經(jīng)濟性進行分析驗算和優(yōu)化，樓架的結構和選材已定、不進行研究，本論文對于瀝青攪拌樓的樓架設計提出必須滿足的三個基本要求：(1)具有良好的抗振性;(2)具有足夠的剛強度;(3)穩(wěn)定性要求。只有滿足了這三個方面的要求才能保證瀝青攪拌樓的正常運行和安全生產(chǎn)。所以在進行瀝青攪拌樓的樓架設計時需要進行動力特性分析以及強度和穩(wěn)定性的計算。最后就樓架可行性與經(jīng)濟性進行驗算和優(yōu)化。
1.關于樓架抗振性研究：設計動力機器機架的基本目標是限制其振動幅值和自振頻率，以滿足機器本身和附近設備、儀器的運轉和不影響鄰近工作人員和居民的工作和生活。因此本設計中動力計算時首先要確定機器的擾力作用方向和擾力值及其作用點的位置，然后按瀝青攪拌設備的擾力性質，采用相應的動力計算公式，計算樓架的振動幅值、振動頻率等，使之不超過允許極限值。
2.關于樓架剛強度的研究：要使樓架具有良好的動態(tài)性能必須保證它具有足夠的靜、動態(tài)剛度。靜態(tài)剛度是以滿載靜力作用下的靜位移來表征，動態(tài)剛度是指其動態(tài)特性，是以其系統(tǒng)的滿載自振頻率來表征。對剛度的研究本文從這兩個方面入手分別計算。強度設計的準則是在機器運轉中可能發(fā)生的最大載荷的情況下樓架上任何點的應力都不得大于允許應力。強度計算時本文主要進行內(nèi)力分析、載荷組合、和承載能力的驗算。其中內(nèi)力分析包括動內(nèi)力、風載以及各種靜載荷內(nèi)力的計算。通過這些分析和計算確保瀝青攪拌樓樓架的所有構件在各種可能的載荷工況下都不受到損壞，從而使機組能夠安全地運行。此外還需研究樓架在彎扭組合交變應力作用下的疲勞強度問題。
3.關于樓架桿件穩(wěn)定性的研究：對于細長的或薄壁的受壓機構及彎-壓結構存在失穩(wěn)問題，失穩(wěn)對結構會產(chǎn)生很大的破壞，設計時需要校核。本文研究的瀝青攪拌樓的樓架由于立柱高度大承受的豎直方向的載荷較大，為避免立柱失穩(wěn)，需要校核計算。研究時由于樓架受力情況復雜，需要對立柱所受外力簡化、近似處理等從而計算出立柱所能承受的臨界壓力。
4.關于樓架安全性與經(jīng)濟性進行驗算和優(yōu)化：將理論計算結果與有限元軟件運算的結果進行比較, 通過對結果的分析來得出結論或進一步的優(yōu)化，這也是本文的最終目的。
五、 預期解決的主要問題
問題1：如何進行瀝青攪拌樓樓架振動位移的計算問題：
以前對機器基礎的設計的方法有兩自由度法和空間多自由度法，在計算機普及以前只能采用兩自由度法。這種方法從基礎中逐一抽出單榀橫向框架，把它們簡化成兩自由度的質量、彈簧體系，然后進行動力分析。這種分析忽略了縱向框架的作用，只能求解單品框架的頻率、振型和動力響應，其精度和空間框架的實測結果相差較大;對于不能分解成平面框架的復雜結構該方法更無能為力?？臻g多自由度體系往往更接近實際的幾何、物理模型，其精度更高，但空間多自由度法計算復雜，需要求解問題較多。
本論文擬采用空間多自由度法計算，但利用空間多自由度進行分析時難點主要是:建立計算模型與動力平衡方程并進一步進行動位移的計算。樓架動力計算時將振動位移分成水平振動位移和豎向振動位移的計算： (1)進行水平振動位移計算時，首先建立模型，方法是采用凝聚質量和忽略轉動慣量假定，將所有桿件的質量向兩端的質點集中。體系的附加質量也向質點積聚不考慮橫梁和樓板的變形進行計算。然后運用達朗貝爾原理建立動力平衡方程，利用公式求出所有的水平自振圓頻率和振型，進一步計算各振型的折算質量和載荷，最后求出動位移;(2)進行豎向振動位移計算時，考慮橫梁的變形，把單跨梁的鉸支座改成彈簧支座，建立模型，建立剛度方程，求出自振頻率，最后計算結構動位移。
問題2：如何在多種載荷及其組合載荷下進行強度計算的問題：
本問題的難度在于涉及的載荷非常多，如工作情況下的動載、設備自重、風載、地震載荷等，應該選取何種情況下的載荷或組合載荷進行強度計算。此外還要研究樓架在彎扭組合交變應力作用下的疲勞強度問題。
本文首先將載荷分類：a.永久載荷組合由設備自重、樓架自重組成b.可變載荷由動載荷組成c.偶然組合由風載荷組成。在樓架承載力計算時進行載荷的組合，并取較大值作為控制值：1)基本組合可由永久載荷與可變載荷組合，可變載荷中的各項動力載荷只考慮單向作用; 2)偶然組合可由永久載荷，可變載荷及偶然載荷組合。再進行計算時，計算簡圖按下列規(guī)定確定：1)柱和頂板橫梁按橫向平面剛架計算，當量載荷考慮豎向和橫向的作用;2)柱和頂板縱梁按縱向平面剛架計算，當量載荷考慮豎向和縱向的作用。計算縱橫梁在水平載荷的作用下產(chǎn)生的彎矩，可近似的假定梁的兩端為固定支座來計算。
問題3：對樓架進行有限元分析時如何建模及如何進行模態(tài)分析的問題：
利用有限元可以進行靜態(tài)分析、剛框架結構的地震響應分析和模態(tài)分析。
在進行有限元分析時首先需要進行有限元軟件的建模，本文在建立瀝青攪拌樓樓架的有限元模型時，不能瀝青攪拌樓樓架及設備的全部導入ANSYS中進行建模，因為那樣可能會導致運算量過大而使軟件無法運行，可根據(jù)需要，建立樓架的有限元模型，然后選擇所采用的有限元單元類型，劃分網(wǎng)格，最后對其進行計算分析。采用這樣的方法，建立樓架的有限元模型，可以減少運算量，但必須能夠分析出樓架所達到的最大變形量。
對于模態(tài)分析，用于確定設計結構或機器部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數(shù)。模態(tài)分析的好處：(1)使結構設計避免共振或以特定頻率進行振動;(2)使工程師可以認識到結構對于不同類型的動力載荷是如何響應的;(3)有助于在其它動力分析中估算求解控制參數(shù)進行模態(tài)分析需要清楚模態(tài)分析的基本理論。本文進行樓架的模態(tài)分析的主要分析思路：首先, 進行理論分析計算系統(tǒng)的固有頻率, 然后在ANSYS 中用實體建模的方法建立樓架模型, 通過網(wǎng)格劃分和加載求解來得到系統(tǒng)的固有頻率。最后, 將理論計算結果與軟件運算的結果進行比較, 通過對結果的分析來得出結論。
六、開題條件
學術條件： 本人在經(jīng)過本科階段和研究生階段的學習，掌握了材料力學、結構力學、高等動力學、機械振動、建筑振動理論及有限元分析理論等多方面的知識，這是論文開展的理論基礎。然后又參考了相關領域的研究成果和實踐狀況，為論文的完成有很大的實際意義。同時還有我的導師和同學都將為我的論文提供指導和幫助，這些都是我完成課題的重要保證。
設備條件：分析用計算機與軟件均具備。
七、文獻綜述
20世紀80年代以來，隨著有限元法和結構優(yōu)化設計技術的發(fā)展，利用有限元方法分析機架或樓架應力、變形分布等情況，來解決其存在的問題，實現(xiàn)優(yōu)化設計的目的，已在我國有了應用[1]。本課題利用理論計算與有限元相合的方法對瀝青攪拌樓的樓架進行結構分析和優(yōu)化，解決在實際使用過程中樓架因為強度問題的斷裂和振動破壞，在滿足抗振性、剛強度的要求下減輕樓架的質量，降低成本。
動力機器支撐基礎設計一般要求應保證抗振性、剛強度及穩(wěn)定性。
本文正是從這三個方面進行分析進行樓架結構的分析。設計前需要弄清設備的結構和工作原理，文獻[2][3]介紹兩種瀝青攪拌站的基本結構和工作原理。為個人提供了一定的專業(yè)知識。由于剛度分析主要考慮變形問題，在進行動力分析時顯然要最終求出樓架的最大的振幅，振動頻率。
對于樓架抗振性的研究：抗振性即動力分析，是本文的難點。在進行動力分析時需要知道瀝青攪拌樓的擾力產(chǎn)生來源，及擾力的作用方向和作用點的位置，然后本文在進行樓架的動位移計算時采用了空間多自由度法計算?？臻g多自由度體系往往更接近實際的幾何、物理模型，其精度更高，應用也越來越廣泛。
空間多自由度體系的利用，在機架設計方面就已經(jīng)取得了許多重要的成果，下面將以幾個實例來闡述利用這種方法進行動力機器基礎設計的過程。
文獻[4]針對馬鞍山鋼鐵公司的35000 制氧機工程動力基礎在不同工況、各向擾力作用下的動力性能進行了詳細分析計算,將構架式基礎簡化為一個多質點的空間框架動力計算模型。計算原理即將空間框架動力模型經(jīng)質量集中將無限自由度體系化為有限自由度體系,利用振動方程組進一步計算。
文獻[5]對汽輪發(fā)電機基礎的設計，提出了汽機基礎的空間多自由度模型。首先簡化模型，建立動力平衡方程，利用振型分解法求出求解振動方程，獲得自由振動頻率和振型。然后將位移形式表達為振型的線性組合，組合系數(shù)由滿足振動方程和振動初始條件來確定。這樣得到的組合系數(shù)的算式與單自由度體系強迫振動位移表達式相同，因此，n個自由度體系的位移計算即轉化為求n個組合系數(shù)的n個單自由度體系的計算。對于地震作用、靜力計算均采用空間多自由度體系這一方法。
文獻[6]介紹了空間構架式動力機器基礎設計與計算的方法和步驟,主要有地基承載力的計算、強度計算、動力計算，計算原則采用空間多自由度模型。并引用了一個具體工程實例。說明在設計與計算過程中,應綜合考慮多種因素,使動力基礎設計更完善,滿足實際生產(chǎn)操作要求。
綜上所述，空間多自由度體系的利用，對動力機器基礎的設計提供很大的幫助，是研究機架或機器基礎動力特性的重要方法。除此方法之外我們要根據(jù)具體情形進行一些簡化計算，并且我們要注意結合各種方法的綜合應用，這對瀝青攪拌樓樓架的結構分析有很大的指導意義。
文獻[7]對腭式平板硫化機基礎的強度和剛度進行了簡化計算。剛度計算時，將機器基礎受力簡化為沿形心軸線的力系來進行撓度計算，計算結果與實測結果相差較小。可以大大簡化復雜的彈性力學平面力系或有限元法計算，有利于簡化設計。強度計算主要考慮立柱和上橫梁強度的計算。中
文獻[8]利用力學基本原理，在對離心機的基礎受力作了簡短分析基礎上，較詳細的對其橫梁、立柱等的強度、穩(wěn)定性進行了相關的各種論證計算。這為樓架進行進一步的總體設計作了準備。
文獻[9]本文以大塊式實體動力機器基礎為例,提出了數(shù)值方法在動力機器基礎設計中的應用,是對優(yōu)化動力機器基礎設計方法的有益探索。數(shù)值方法對垂直振動、扭轉振動、搖擺振動及耦合振動在計算上具有統(tǒng)一性和普遍性,無需對不同振動類型采用不同的動力計算公式與選擇不同的計算參數(shù),也無需再把影響動力反應的埋深、擾力形式、基礎形式等各種因素分割開來考慮,從而形成一個整體因素,大大簡化了計算和提高了精確度;數(shù)值方法比現(xiàn)有的質- 阻- 彈模式和彈性半空間模式具有更高的精確性和更大的可信度。
大型機器的基礎或樓架，承受著由機器的不平衡擾力引起的振動和機器的自重等，如其振動過大，將會影響機器的加工要求或無法正常運轉，甚至損壞機器和影響鄰近的設備、儀器和人員的工作和生活，嚴重的還會危及建筑物的安全。因此現(xiàn)在動力機器基礎振動設計的研究內(nèi)容更加廣泛。
(1)故障診斷方面：在當今冶金、電力、石油、化工等流程工業(yè)生產(chǎn)中，旋轉設備應用十分廣泛，如鼓風機、汽輪機、壓縮機、除塵風機等。隨著生產(chǎn)技術的發(fā)展，這些設備日益朝著大型化、精密化、自動化方向發(fā)展，在生產(chǎn)中占有十分重要的地位。它們一旦發(fā)生故障，會給生產(chǎn)或環(huán)境造成巨大損失。在旋轉設備故障中，振動故障占有相當大的比例。引起旋轉設備振動故障的原因很多，如不平衡、不對中、碰摩、支撐松動等，這些故障或單獨出現(xiàn)，或同時并存，錯綜復雜。因此，如何快速準確地診斷出故障類別，找出故障原因，以便及時采取對策，使設備迅速恢復穩(wěn)定運行，是擺在現(xiàn)場設備工程師面前的一個重要課題。在現(xiàn)有的有關旋轉設備振動故障診斷文獻中，對一般常見振動故障如不平衡、不對中、碰摩等故障的產(chǎn)生機理和振動特征論述較多，但對旋轉設備共振故障的產(chǎn)生機理和振動特征論述較少，缺乏理論系統(tǒng)性和工程實用性。這對設備工程師從事現(xiàn)場故障診斷工作造成不便。文獻[10]論述了旋轉設備共振故障的發(fā)生機理及振動特征，從設計、安裝和維護等方面分析了旋轉設備共振故障的產(chǎn)生原因。并結合對首鋼8#制氧空壓機組振動故障的診斷實踐，介紹旋轉設備共振故障的診斷及處理過程。
文獻[11]作者注意到在裝車溜槽工作中,溜槽行走油缸與溜槽連接處為剛性連接,頻繁斷裂。給商品煤外運帶來很大困難。為此,原有油缸與溜槽連接處的剛性連接改為柔性連接,減小了振動，取得很好效果。從減小振動方面進行故障的排除。
(2)建筑設計：裝有動力設備的鋼支架需要對其進行振動設計,結構動力分析不僅使其自振頻率遠離共振區(qū)域,還要保證鋼支架在振動設備擾力作用下滿足振動控制、設計強度以及人體舒適度要求;根據(jù)達朗伯原理,動力問題可以轉化為靜力平衡來處理。
文獻[12]通過研究振動設備鋼支架結構動力分析時的共振問題,對單臺振動設備鋼支架進行了振動分析,并對其結構方案選型及一般要求、振動設計中鋼結構的疲勞驗算等作了論述,從而保證鋼支架在振動設備擾力作用下滿足振動控制、設計強度以及人體舒適度要求。
對于樓架剛強度計算的問題：剛度分析：靜態(tài)剛度是以滿載靜力作用下的靜位移來表征，動態(tài)剛度是指其動態(tài)特性，是以其系統(tǒng)的滿載自振頻率來表征。對剛度的研究本文從這兩個方面入手分別計算。強度計算時本文首先將載荷分類：a.永久載荷組合由設備自重、樓架自重組成; b.可變載荷由動載荷組成c.偶然組合由地震作用、風載荷組成。在樓架承載力計算時進行載荷的組合，并取較大值作為控制值：(1)基本組合可由永久載荷與可變載荷組合，可變載荷中的各項動力載荷只考慮單向作用; (2)偶然組合可由永久載荷，可變載荷及偶然載荷組合。再進行計算時，計算簡圖按下列規(guī)定確定：(1)柱和頂板橫梁按橫向平面剛架計算，當量載荷考慮豎向和橫向的作用;(2)柱和頂板縱梁按縱向平面剛架計算，當量載荷考慮豎向和縱向的作用。計算縱橫梁在水平載荷的作用下產(chǎn)生的彎矩，可近似的假定梁的兩端為固定支座來計算[5]。
文獻[6]對空間構架式機器基礎強度的計算時，也是首先對載荷分類，然后進行組合計算構件的內(nèi)力。其計算過程也為本文提供了依據(jù)。
關于樓架桿件穩(wěn)定性的研究：對于細長的或薄壁的受壓機構及彎-壓結構存在失穩(wěn)問題，失穩(wěn)對結構會產(chǎn)生很大的破壞，設計時需要校核。本文研究的瀝青攪拌樓的樓架由于立柱高度大承受的豎直方向的載荷較大，為避免立柱失穩(wěn)，需要校核計算。文獻[1][8]提出了對立柱進行穩(wěn)定性計算，為避免桿件失穩(wěn)。
總之，樓架的設計要根據(jù)具體情況考慮多方面的因素，在把握樓架設計的準則情況下我們要靈活運用多種方法，這樣設計才能更合理，安全。
比如，動力機器基礎設計時應根據(jù)機器的動力特性,建筑場地的地基情況和周圍環(huán)境對限制振動的要求等因素,確定安全可靠、適用、經(jīng)濟合理和技術先進的基礎方案。機器基礎的設計,按機器的動力特性,分別采取:(1) 不作動力計算,只需進行靜力計算(包括驗算地基強度和基礎本身的強度、抗裂性等) ; (2) 雖不作動力計算,但需將動載荷化為當量靜載荷后進行靜力計算;(3) 需要進行動力和靜力計算[13]。
動力機器基礎設計分析[14],分析了三種大型往復式壓縮機基礎的計算成果, 歸納出基礎主要尺寸與基組參數(shù)間的相關關系, 給出具體、簡捷的設計步驟。計算選取了與《動力機器基礎規(guī)范》中規(guī)定相一致的理論， 即“質量—彈簧—阻尼”理論。這種方法大大簡化了設計步驟，提高了工作效率。
本文在完成理論計算后，打算采用有限元軟件進行分析靜態(tài)分析和模態(tài)分析，更好的展現(xiàn)在工作情況下樓架的實際情況，顯現(xiàn)出樓架中的危險部分，可以針對問題對樓架機構進行進一步的改進和完善，優(yōu)化樓架，為瀝青攪拌樓樓架的設計提供有力的依據(jù)。
有限元法作為求解數(shù)學物理問題的一種數(shù)值方法,已經(jīng)有50余年的發(fā)展歷史，是目前最重要的工程分析技術之一，廣泛應用于彈塑性力學、斷裂力學、流體力學、熱傳導等領域，其基本思想是將結構離散化，用有限個容易分析的單元來表示復雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。
利用有限元可以進行靜態(tài)分析、剛框架結構的地震響應分析和模態(tài)分析及優(yōu)化設計。
文獻[15]利用有限元可以進行靜態(tài)分析。建立了空腹桁架式起重機的有限元模型,結合100t空腹桁架式橋架,明確了幾種計算工況,確定了各工況的計算載荷,分析了橋架的靜剛度及各種工況的結構應力,結果表明強度、剛度皆滿足要求。
文獻[16-18]利用有限元可以進行地震響應分析?；谟邢拊ㄑ芯苛送僚髅穹康牡卣痦憫卣? 利用大型有限元分析軟件ANSYS, 針對我國西北農(nóng)村地區(qū)尤其是甘肅省農(nóng)村地區(qū)內(nèi)普遍應用的地震高致災性的土坯民房, 分析研究2 種典型結構類型房屋的地震響應特征, 為我國西北農(nóng)村地區(qū)現(xiàn)有土坯民房的加固和整治提供理論依據(jù)和對策性建議。
模態(tài)分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性(固有頻率和振型)，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態(tài)載荷結構設計中的重要參數(shù)[19]。同時，也可以作為其它動力學分析問題的起點，例如瞬態(tài)動力學分析、諧響應分析和譜分析，其中模態(tài)分析也是進行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應分析或瞬態(tài)動力學分析所必需的前期分析過程[20]。振動模態(tài)是彈性結構的.固有的、整體的特性。如果通過模態(tài)分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)各階主要模態(tài)的特性, 就可能預言結構在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下實際振動響應。因此,模態(tài)分析是結構動態(tài)設計及設備的故障診斷的重要方法[21]。
模態(tài)分析理論,研究系統(tǒng)的固有振動特性. 模態(tài)分析的基本理論是：首先要建立該系統(tǒng)的動力方程.多自由度的運動方程可以應用牛頓第二定律, 達朗伯原理,拉格朗日方程和哈密頓定理來建立[22-24]。
在振動機械中，利用有限元模態(tài)分析的應用實例，如下有：
文獻[21]利用有限元軟件進行機床工作的模態(tài)分析，主要用于確定結構或機器部件的振動特性。該文建立了某型立銑床床身的三維有限元模型, 并利用大型有限元分析軟件ANSYS 進行了模態(tài)分析, 得出了床身前十階固有頻率和振型。本文進行理論分析計算系統(tǒng)的固有頻率, 然后在ANSYS 中用實體建模的方法建立機床模型, 通過網(wǎng)格劃分和加載求解來得到系統(tǒng)的固有頻率。最后, 將理論計算結果與軟件運算的結果進行比較, 通過對結果的分析來得出結論。使用ANSYS 模態(tài)分析可以將繁雜的分析過程簡化, 概念清晰, 計算方便, 在工程中有較廣泛的應用。
文獻[25]為了確定振動篩偏心軸的振動特性，通過工程分析軟件ANSYS 對其進行了建模與模態(tài)分析。詳細闡述了模態(tài)分析的全過程，從建模環(huán)境的選擇，偏心軸實體模型和有限元模型的建立，到最后的模態(tài)分析。其中，有限元建模中用彈性支承單元COMBIN14 代替將軸承簡單處理為剛性約束的方式，更加真實的分析得出軸的前10 階固有頻率和振型。對比傳遞矩陣法，方法簡便，計算快捷，得到直觀振型形象。模態(tài)分析有效預估了結構的振動特性，為選擇電機參數(shù)提供依據(jù)，并為諧響應分析及瞬態(tài)分析奠定基礎。
文獻[26-28]采用大型有限元分析軟件對鋼支架進行模態(tài)分析,獲得結構的頻率和振型,根據(jù)分析結果提出改進支架結構的方案,并再次進行有限元計算,驗證改進方案的可行性。經(jīng)過優(yōu)化后的振動支架工作可靠,使用壽命長。
本文在對樓架設計進行理論計算和有限元軟件分析的基礎上，可以對樓架進一步的優(yōu)化設計提供了基礎。優(yōu)化設計是在工程設計中，應用現(xiàn)代數(shù)學理論和現(xiàn)代計算技術，進行最優(yōu)化方案設計的模塊化設計系統(tǒng)，它采用設計變量，目標函數(shù)和約束條件三要素來尋求方案的最優(yōu)結果。也是一種解析優(yōu)化的方法用數(shù)值優(yōu)化提高再設計過程[29]。
如對某大型電除塵器鋼支架進行了優(yōu)化設計[30-31]，針對原結構存在的問題及優(yōu)化的約束條件和目標提出如下優(yōu)化策略:電力除塵器鋼支架的穩(wěn)定設計包括平面內(nèi)的穩(wěn)定設計和平面外的穩(wěn)定驗算。正確而合理地運用各類型鋼的幾何特性,盡量爭取支撐和系桿平面內(nèi)和平面外的長細比接近,盡量縮短支撐和系桿的計算長度，簡化連接方式,構造出傳力清楚、安全可靠、構造簡單的連接方式。
應用模態(tài)分析的振動支架優(yōu)化設計[32],支架固定在振動實驗臺上隨著實驗臺一起振動,實驗過程中發(fā)現(xiàn)其振動支架經(jīng)常出現(xiàn)裂紋,無法保證實驗的正常進行。為查清產(chǎn)生裂紋的原因,優(yōu)化結構設計,采用ANSYS軟件對其進行模態(tài)分析,研究其振動特性,從而提出改進支架結構的方案,為使系統(tǒng)避免產(chǎn)生共振現(xiàn)象,可采用提高系統(tǒng)剛度的方法來避開共振區(qū)。改進后運用ANSYS軟件再次進行分析計算。
最后本文提出采取減振、隔振等措施以減小樓架的振動，有益于周圍或設備維護人員的舒適度。為了減少樓蓋的垂直振動,設備布置應符合下列要求[33]：1) 上下往復運動的機械應布置在支架的支柱附近。2) 水平往復運動的機械宜布置在梁的跨中部位,并應使擾力沿梁的軸線方向作用。為了減少支架的水平振動,應采取下列措施 :1) 使水平往復或旋轉運動的機械的全部或大部分水平力作用在支架的水平自振頻率與擾力較大的方向。2) 合理利用斜撐的剛度,宜將斜撐設置在對減小樓蓋水平旋轉振動最有效的位置上[33]。此外，采取減振、隔振等措施采用減振、隔振等簡易措施來改善豎向振動舒適度相對于加大構件截面、單純提高結構剛度而言,具有較好的經(jīng)濟性。
綜上所述，本論文是對企業(yè)中已有的樓架可行性與經(jīng)濟性進行驗算和優(yōu)化，所以樓架的結構和選材不進行研究，在進行瀝青攪拌樓的樓架設計時需要進行動力特性分析以及強度和穩(wěn)定性的計算。并就樓架可行性與經(jīng)濟性進行驗算和優(yōu)化。
關于樓架的抗振型分析：要使樓架具有良好的動態(tài)性能必須保證它具有足夠的靜、動態(tài)剛度。靜態(tài)剛度是以滿載靜力作用下的靜位移來表征，動態(tài)剛度是指其動態(tài)特性，是以其系統(tǒng)的滿載自振頻率來表征。設計動力機器機架的基本目標是限制其振動幅值和自振頻率，以滿足機器本身和附近設備、儀器的運轉和不影響鄰近工作人員和居民的工作和生活。因此本設計中動力計算時首先要確定機器的擾力作用方向和擾力值及其作用點的位置，然后按瀝青攪拌設備的擾力性質，采用相應的動力計算公式，計算樓架的振動幅值、振動頻率，使之不超過允許極限值。
關于樓架剛強度的研究：強度設計的準則是在機器運轉中可能發(fā)生的最大載荷的情況下樓架上任何點的應力都不得大于允許應力。強度計算時主要進行內(nèi)力分析、載荷組合、和承載能力的驗算。其中內(nèi)力分析包括動內(nèi)力、地震內(nèi)力、以及各種靜載荷內(nèi)力的計算。通過這些分析和計算確保瀝青攪拌樓樓架的所有構件在各種可能的載荷工況下都不受到損壞，從而使機組能夠安全地運行。此外還需研究樓架在彎扭組合交變應力作用下的疲勞強度問題。
關于樓架桿件穩(wěn)定性的研究：對于細長的或薄壁的受壓機構及彎-壓結構存在失穩(wěn)問題，失穩(wěn)對結構會產(chǎn)生很大的破壞，設計時需要校核。本文研究的瀝青攪拌樓的樓架由于立柱高度大承受的豎直方向的載荷較大，為避免立柱失穩(wěn)，需要校核計算。研究時由于樓架受力情況復雜，需要對立柱所受外力簡化、近似處理等從而計算出立柱所能承受的臨界壓力。
關于樓架可行性與經(jīng)濟性進行驗算和優(yōu)化：將理論計算結果與有限元軟件運算的結果進行比較, 通過對結果的分析來得出結論或進一步的優(yōu)化。
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院(系)名稱：機電工程系
專業(yè)名稱：機電一體化
年級：09機電三班
學生姓名：夏**
學號：******
指導教師姓名：袁**
設計題目：電梯控制系統(tǒng)的PLC原理圖及梯形圖設計
電梯的國內(nèi)外研究動向及意義
從1887年美國奧的斯公司制造出世界上第一臺電梯，到中國最早的一部電梯在上海出現(xiàn)，電梯行業(yè)在中國迅速發(fā)展，由此電梯變成了高層賓館、商店、住宅、多層廠房和倉庫等高層建筑不可缺少的垂直方向的交通工具。隨著社會的發(fā)展，建筑物規(guī)模越來越大，樓層越來越多，對電梯也提出了更高的要求。
隨著科技的進步，電梯也更加安全、舒適。然而，人們的追求并沒有就此停止下來，仍在不斷地進行研究改進。21世紀開始國際開始強調(diào)“綠色”，綠色和平，綠色天然，綠色和諧。電梯是載人的機電設備，要實現(xiàn)綠色，也就是強調(diào)電梯更舒適、更安全地為人類的生產(chǎn)和生活服務，強調(diào)電梯與環(huán)境的協(xié)調(diào)與和諧。
目前意義上的“綠色”，一般是強調(diào)“天然”的一面，強調(diào)與環(huán)境的協(xié)調(diào)與和諧。電梯屬于純粹的工業(yè)產(chǎn)品，其天然性應表現(xiàn)為對環(huán)境影響的盡可能小，與環(huán)境的協(xié)調(diào)與平衡，以及電梯本身的人性化。這也應是綠色電梯的發(fā)展方向。
(1)智能化。我們這所說的智能化電梯是傳統(tǒng)的人工智能是無法勝任的。傳統(tǒng)的智能控制是一種技術的事先安排，說到底是一種程序控制，是一種周期性的系統(tǒng)自動控制，實際上還算不上智能。而真正的智能電梯應更具人性化特點，不僅具有傳統(tǒng)的人工智能的所有優(yōu)點，而且還有傳統(tǒng)的人工智能無法比擬的東西，具有動念和隨機處理各種問題的能力，諸如能根據(jù)轎廂內(nèi)的情況和各層的候梯信息，自動地制定每次最優(yōu)的運動速度和停車政策;自動選擇運動方面;雙向語音交流;到達目的層的語音提示等，讓乘客有更多的主動性，使大樓交通運輸實現(xiàn)真正的人機對話。智能化要求電梯有自動安全檢測功能，讓電梯自己能夠檢測到電梯的故障所在，并及時報警予以排除。
(2)安全。運行安全是電梯的根本和關鍵?？梢哉f，電梯的全部其他工作都是以此為中心展開的，使電梯安全運行更有保障。運行安全不僅要消除電梯啟動時較強的電磁輻射，使用安全材料和運行穩(wěn)定，而且要有一種良好的視覺效果，讓每一位乘客在寬敞、明亮轎廂內(nèi)有安全、舒適的好心情。同時，電梯運行安全也要求電梯在運行中發(fā)生故障時，不但要使乘客容易與外界溝通聯(lián)系，而且電梯本身應當能自動播放讓乘客感到放松的音樂，徹底消除產(chǎn)生緊張不安的情緒。當小孩和老人乘坐時，電梯對他們應給予一種如同家人般的照顧，不但讓老人和孩子感到方便和舒適，而且更讓其家人感到放心。電梯運行安全還要求電梯有自動休眠功能，使電梯在保證運行效率最高的同時，使電梯能最大限度地得到休眠。
(3)與環(huán)境的協(xié)調(diào)和平衡，包括以下幾個方面：
①視覺協(xié)調(diào)。有人曾經(jīng)做過環(huán)境色彩是否對人有影響的研究。該研究發(fā)展：視覺不協(xié)調(diào)的環(huán)境色彩對人的情緒、精神影響非常大。色彩宜人，格調(diào)高雅，制作精良的電梯，乘客自然會有一種安全的感覺，有一種視覺上的舒適。用料低廉，款式陳舊，色彩沉悶，甚至破破爛爛的電梯，乘客視覺協(xié)調(diào)無從談起，乘坐電梯的第一感覺就是不安全。國內(nèi)的許多電梯公司對此的重視是遠遠不夠的，甚至不少通過引進國外技術國產(chǎn)化的電梯也顯露出一副土生土長的容貌。
②消除電磁輻射。如前所述，由于電梯是大樓里頻繁起制動的大容量電器是電磁干擾的元兇，所以綠色電梯必須是一個達到自身對大樓電磁干擾最小，而又不被其他電磁干擾影響的建筑機電設備。這樣不僅可以保證乘客的身心健康，而且也可以保證大樓、大廈中的大樓的辦公自動化、樓宇自動化、通訊自動化的正常運轉。
③舒適感。通過采用高載頻波矢量靜音變頻器，可降低噪聲變換頻率及電壓。以CPU控制電壓及頻率的連續(xù)變換方式，按人體生理適應要求，利用計算機優(yōu)化設計而成的理想運行曲線，實現(xiàn)更穩(wěn)定、更舒適的運行。
對現(xiàn)代化電梯性能的衡量，主要著重于可靠性、安全性和乘坐的舒適性。此外，對經(jīng)濟性、能耗、噪聲等級和電磁干擾程度等方面也有相應要求。隨著時代的發(fā)展，相信電梯行業(yè)會越來越貼近生活。
研究的主要內(nèi)容及所解決的問題
目前，在電梯的控制方式上，主要有繼電器控制、PLC控制和微型計算機控制三種。而PlC實際上是一種專用計算機，它采用巡回掃描的方式分時處理各項任務，而且依靠程序運行，這就保證只有正確的程序才能運行，否則電梯不會工作;又由于PLC中的內(nèi)部輔助繼電器及保持繼電器等實際上是PLC系統(tǒng)內(nèi)存工作單元，即無線圈又無觸點，使用次數(shù)不受限制，屬無觸點運行，因此，它比繼電器控制有著明顯的優(yōu)越性，運行壽命更長，工作更加可靠安全，自動化水平更高。PLC控制是三種控制方式中最具有可靠性、實用性和靈活性的控制方式，它更適合于用在電梯的技術改造和控制系統(tǒng)的更新?lián)Q代，是電梯控制系統(tǒng)中理想的控制新技術。
電梯的控制是比較復雜的，可編程控制器的使用為電梯的控制提供了廣闊的空間，隨著PLC應用技術的不斷發(fā)展，將使得它的體積大大減小，功能不斷完善，過程的控制更平穩(wěn)、可靠，抗干擾性能增強、機械與電氣部件有機地結合在一個設備內(nèi)，把儀表、電子和計算機的功能綜合在一起。它已經(jīng)成為電梯運行中的關鍵技術。因此，研究plc技術更具有了戰(zhàn)略性的意義。
Plc的研究內(nèi)容及措施
對于電梯的控制，可選用繼電-接觸系統(tǒng)或可編程控制器來完成，但是二者有各自的特點：
a:繼電-接觸系統(tǒng)：它的優(yōu)點是線路直觀，大部分電器均為常用電器，更換方便，價格較便宜。但是他觸點繁多，線路復雜，電器的電磁機構及觸點動作較慢，能耗高，機械動作噪音大，而且可靠性差。
b:PLC在設計和制造上采取了許多抗干擾措施，使用方便，擴展容易。它使用了梯形圖和可編程指令，易于掌握。總之，PLC取代繼電-接觸系統(tǒng)已經(jīng)成為大的趨勢。
基于上述原因，我選擇用可編程控制器來完成對電梯的控制。
設計的內(nèi)容與要求：
概述：
隨著時代的發(fā)展，工業(yè)自動化程度的不斷提高，PLC行業(yè)已經(jīng)在工業(yè)市場上占有一大片領地。在此次設計中，我將利用PLC來實現(xiàn)對電梯的控制。其中包括對PLC硬件的設計，軟件設計，駐點路的設計，控制柜的設計，以及電梯惦記和其他設備的選擇，還有原理分析等。相信此次設計后，我對電梯的實際運行能有初步的了解。
控制要求：
1.電梯轎箱的控制要求：
a：選向：根據(jù)電梯各層內(nèi)選外呼信號的先后和停止時轎箱所在的樓曾位置決定電梯的運行方向。
b：選層換速：指電梯能夠根據(jù)轎內(nèi)所選層而決定運行方向，而且遵守或一直向上，或一直向下的原則。并且在每次平層的時候都能夠換速。
c：樓層位置的指示：選用了數(shù)碼管顯示的方法。由于FX2N系列已有內(nèi)部計數(shù)-譯碼驅動模塊，所以只要外部加上LED七段顯示管和電源就可以顯示樓層了。
2.電梯門的控制要求：
要求當電梯平層的時候，電梯門自動打開，經(jīng)過10秒鐘后電梯門自動關上。如果遇到有人在門中間的情況，電梯會因為光電開關的作用而自動開門。
3.補充要求：
除了上述兩個要求以外，還要注意的一點就是備用電梯電機的使用，一但曳引電機出現(xiàn)故障，備用電機將手動控制轉入運行狀態(tài)，避免因曳引電機出故障而引發(fā)的不必要的麻煩。