動(dòng)力機器基礎設計應根據基礎本身質(zhì)量、剛度的分布、設備的質(zhì)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(shù)先進(jìn)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(jìn)行分析驗算和優(yōu)化，樓架的結構和選材已定、不進(jìn)行研究，本論文對于瀝青攪拌樓的樓架設計提出必須滿(mǎn)足的三個(gè)基本要求：(1)具有良好的抗振性;(2)具有足夠的剛強度;(3)穩定性要求。只有滿(mǎn)足了這三個(gè)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(jìn)行瀝青攪拌樓的樓架設計時(shí)需要進(jìn)行動(dòng)力特性分析以及強度和穩定性的計算。最后就樓架可行性與經(jīng)濟性進(jìn)行驗算和優(yōu)化。

1.關(guān)于樓架抗振性研究：設計動(dòng)力機器機架的基本目標是限制其振動(dòng)幅值和自振頻率，以滿(mǎn)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(dòng)力計算時(shí)首先要確定機器的擾力作用方向和擾力值及其作用點(diǎn)的位置，然后按瀝青攪拌設備的擾力性質(zhì)，采用相應的動(dòng)力計算公式，計算樓架的振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率等，使之不超過(guò)允許極限值。

2.關(guān)于樓架剛強度的研究：要使樓架具有良好的動(dòng)態(tài)性能必須保證它具有足夠的靜、動(dòng)態(tài)剛度。靜態(tài)剛度是以滿(mǎn)載靜力作用下的靜位移來(lái)表征，動(dòng)態(tài)剛度是指其動(dòng)態(tài)特性，是以其系統的滿(mǎn)載自振頻率來(lái)表征。對剛度的研究本文從這兩個(gè)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(diǎn)的應力都不得大于允許應力。強度計算時(shí)本文主要進(jìn)行內力分析、載荷組合、和承載能力的驗算。其中內力分析包括動(dòng)內力、風(fēng)載以及各種靜載荷內力的計算。通過(guò)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(wèn)題。

3.關(guān)于樓架桿件穩定性的研究：對于細長(cháng)的或薄壁的受壓機構及彎-壓結構存在失穩問(wèn)題，失穩對結構會(huì )產(chǎn)生很大的破壞，設計時(shí)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，需要校核計算。研究時(shí)由于樓架受力情況復雜，需要對立柱所受外力簡(jiǎn)化、近似處理等從而計算出立柱所能承受的臨界壓力。

4.關(guān)于樓架安全性與經(jīng)濟性進(jìn)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(jìn)行比較, 通過(guò)對結果的分析來(lái)得出結論或進(jìn)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(wèn)題

問(wèn)題1：如何進(jìn)行瀝青攪拌樓樓架振動(dòng)位移的計算問(wèn)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(jiǎn)化成兩自由度的質(zhì)量、彈簧體系，然后進(jìn)行動(dòng)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(dòng)力響應，其精度和空間框架的實(shí)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(wú)能為力。空間多自由度體系往往更接近實(shí)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(wèn)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(jìn)行分析時(shí)難點(diǎn)主要是:建立計算模型與動(dòng)力平衡方程并進(jìn)一步進(jìn)行動(dòng)位移的計算。樓架動(dòng)力計算時(shí)將振動(dòng)位移分成水平振動(dòng)位移和豎向振動(dòng)位移的計算： (1)進(jìn)行水平振動(dòng)位移計算時(shí)，首先建立模型，方法是采用凝聚質(zhì)量和忽略轉動(dòng)慣量假定，將所有桿件的質(zhì)量向兩端的質(zhì)點(diǎn)集中。體系的附加質(zhì)量也向質(zhì)點(diǎn)積聚不考慮橫梁和樓板的變形進(jìn)行計算。然后運用達朗貝爾原理建立動(dòng)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(jìn)一步計算各振型的折算質(zhì)量和載荷，最后求出動(dòng)位移;(2)進(jìn)行豎向振動(dòng)位移計算時(shí)，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(dòng)位移。

問(wèn)題2：如何在多種載荷及其組合載荷下進(jìn)行強度計算的問(wèn)題：

本問(wèn)題的難度在于涉及的載荷非常多，如工作情況下的動(dòng)載、設備自重、風(fēng)載、地震載荷等，應該選取何種情況下的載荷或組合載荷進(jìn)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(wèn)題。

本文首先將載荷分類(lèi)：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(dòng)載荷組成c.偶然組合由風(fēng)載荷組成。在樓架承載力計算時(shí)進(jìn)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(dòng)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(jìn)行計算時(shí)，計算簡(jiǎn)圖按下列規定確定：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(lái)計算。

問(wèn)題3：對樓架進(jìn)行有限元分析時(shí)如何建模及如何進(jìn)行模態(tài)分析的問(wèn)題：

利用有限元可以進(jìn)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(jìn)行有限元分析時(shí)首先需要進(jìn)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(shí)，不能瀝青攪拌樓樓架及設備的全部導入ANSYS中進(jìn)行建模，因為那樣可能會(huì )導致運算量過(guò)大而使軟件無(wú)法運行，可根據需要，建立樓架的有限元模型，然后選擇所采用的有限元單元類(lèi)型，劃分網(wǎng)格，最后對其進(jìn)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(dòng)特性，即結構的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結構設計中的重要參數。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(jìn)行振動(dòng);(2)使工程師可以認識到結構對于不同類(lèi)型的動(dòng)力載荷是如何響應的;(3)有助于在其它動(dòng)力分析中估算求解控制參數進(jìn)行模態(tài)分析需要清楚模態(tài)分析的基本理論。本文進(jìn)行樓架的模態(tài)分析的主要分析思路：首先, 進(jìn)行理論分析計算系統的固有頻率, 然后在A(yíng)NSYS 中用實(shí)體建模的方法建立樓架模型, 通過(guò)網(wǎng)格劃分和加載求解來(lái)得到系統的固有頻率。最后, 將理論計算結果與軟件運算的結果進(jìn)行比較, 通過(guò)對結果的分析來(lái)得出結論。

六、開(kāi)題條件

學(xué)術(shù)條件： 本人在經(jīng)過(guò)本科階段和研究生階段的學(xué)習，掌握了材料力學(xué)、結構力學(xué)、高等動(dòng)力學(xué)、機械振動(dòng)、建筑振動(dòng)理論及有限元分析理論等多方面的知識，這是論文開(kāi)展的理論基礎。然后又參考了相關(guān)領(lǐng)域的研究成果和實(shí)踐狀況，為論文的完成有很大的實(shí)際意義。同時(shí)還有我的導師和同學(xué)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(lái)，隨著(zhù)有限元法和結構優(yōu)化設計技術(shù)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(lái)解決其存在的問(wèn)題，實(shí)現優(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(jìn)行結構分析和優(yōu)化，解決在實(shí)際使用過(guò)程中樓架因為強度問(wèn)題的斷裂和振動(dòng)破壞，在滿(mǎn)足抗振性、剛強度的要求下減輕樓架的質(zhì)量，降低成本。

動(dòng)力機器支撐基礎設計一般要求應保證抗振性、剛強度及穩定性。

本文正是從這三個(gè)方面進(jìn)行分析進(jìn)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(gè)人提供了一定的專(zhuān)業(yè)知識。由于剛度分析主要考慮變形問(wèn)題，在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)顯然要最終求出樓架的最大的振幅，振動(dòng)頻率。

對于樓架抗振性的研究：抗振性即動(dòng)力分析，是本文的難點(diǎn)。在進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)需要知道瀝青攪拌樓的擾力產(chǎn)生來(lái)源，及擾力的作用方向和作用點(diǎn)的位置，然后本文在進(jìn)行樓架的動(dòng)位移計算時(shí)采用了空間多自由度法計算。空間多自由度體系往往更接近實(shí)際的幾何、物理模型，其精度更高，應用也越來(lái)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(gè)實(shí)例來(lái)闡述利用這種方法進(jìn)行動(dòng)力機器基礎設計的過(guò)程。

文獻[4]針對馬鞍山鋼鐵公司的35000 制氧機工程動(dòng)力基礎在不同工況、各向擾力作用下的動(dòng)力性能進(jìn)行了詳細分析計算,將構架式基礎簡(jiǎn)化為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)的空間框架動(dòng)力計算模型。計算原理即將空間框架動(dòng)力模型經(jīng)質(zhì)量集中將無(wú)限自由度體系化為有限自由度體系,利用振動(dòng)方程組進(jìn)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(jiǎn)化模型，建立動(dòng)力平衡方程，利用振型分解法求出求解振動(dòng)方程，獲得自由振動(dòng)頻率和振型。然后將位移形式表達為振型的線(xiàn)性組合，組合系數由滿(mǎn)足振動(dòng)方程和振動(dòng)初始條件來(lái)確定。這樣得到的組合系數的算式與單自由度體系強迫振動(dòng)位移表達式相同，因此，n個(gè)自由度體系的位移計算即轉化為求n個(gè)組合系數的n個(gè)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(dòng)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(dòng)力計算，計算原則采用空間多自由度模型。并引用了一個(gè)具體工程實(shí)例。說(shuō)明在設計與計算過(guò)程中,應綜合考慮多種因素,使動(dòng)力基礎設計更完善,滿(mǎn)足實(shí)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(dòng)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(dòng)力特性的重要方法。除此方法之外我們要根據具體情形進(jìn)行一些簡(jiǎn)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(jìn)行了簡(jiǎn)化計算。剛度計算時(shí)，將機器基礎受力簡(jiǎn)化為沿形心軸線(xiàn)的力系來(lái)進(jìn)行撓度計算，計算結果與實(shí)測結果相差較小。可以大大簡(jiǎn)化復雜的彈性力學(xué)平面力系或有限元法計算，有利于簡(jiǎn)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(xué)基本原理，在對離心機的基礎受力作了簡(jiǎn)短分析基礎上，較詳細的對其橫梁、立柱等的強度、穩定性進(jìn)行了相關(guān)的各種論證計算。這為樓架進(jìn)行進(jìn)一步的總體設計作了準備。

文獻[9]本文以大塊式實(shí)體動(dòng)力機器基礎為例,提出了數值方法在動(dòng)力機器基礎設計中的應用,是對優(yōu)化動(dòng)力機器基礎設計方法的有益探索。數值方法對垂直振動(dòng)、扭轉振動(dòng)、搖擺振動(dòng)及耦合振動(dòng)在計算上具有統一性和普遍性,無(wú)需對不同振動(dòng)類(lèi)型采用不同的動(dòng)力計算公式與選擇不同的計算參數,也無(wú)需再把影響動(dòng)力反應的埋深、擾力形式、基礎形式等各種因素分割開(kāi)來(lái)考慮,從而形成一個(gè)整體因素,大大簡(jiǎn)化了計算和提高了精確度;數值方法比現有的質(zhì)- 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(zhù)由機器的不平衡擾力引起的振動(dòng)和機器的自重等，如其振動(dòng)過(guò)大，將會(huì )影響機器的加工要求或無(wú)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(huì )危及建筑物的安全。因此現在動(dòng)力機器基礎振動(dòng)設計的研究?jì)热莞訌V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(fēng)機、汽輪機、壓縮機、除塵風(fēng)機等。隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，這些設備日益朝著(zhù)大型化、精密化、自動(dòng)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(huì )給生產(chǎn)或環(huán)境造成巨大損失。在旋轉設備故障中，振動(dòng)故障占有相當大的比例。引起旋轉設備振動(dòng)故障的原因很多，如不平衡、不對中、碰摩、支撐松動(dòng)等，這些故障或單獨出現，或同時(shí)并存，錯綜復雜。因此，如何快速準確地診斷出故障類(lèi)別，找出故障原因，以便及時(shí)采取對策，使設備迅速恢復穩定運行，是擺在現場(chǎng)設備工程師面前的一個(gè)重要課題。在現有的有關(guān)旋轉設備振動(dòng)故障診斷文獻中，對一般常見(jiàn)振動(dòng)故障如不平衡、不對中、碰摩等故障的產(chǎn)生機理和振動(dòng)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(dòng)特征論述較少，缺乏理論系統性和工程實(shí)用性。這對設備工程師從事現場(chǎng)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(dòng)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(dòng)故障的診斷實(shí)踐，介紹旋轉設備共振故障的診斷及處理過(guò)程。

文獻[11]作者注意到在裝車(chē)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(lái)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(dòng)，取得很好效果。從減小振動(dòng)方面進(jìn)行故障的排除。

(2)建筑設計：裝有動(dòng)力設備的鋼支架需要對其進(jìn)行振動(dòng)設計,結構動(dòng)力分析不僅使其自振頻率遠離共振區域,還要保證鋼支架在振動(dòng)設備擾力作用下滿(mǎn)足振動(dòng)控制、設計強度以及人體舒適度要求;根據達朗伯原理,動(dòng)力問(wèn)題可以轉化為靜力平衡來(lái)處理。

文獻[12]通過(guò)研究振動(dòng)設備鋼支架結構動(dòng)力分析時(shí)的共振問(wèn)題,對單臺振動(dòng)設備鋼支架進(jìn)行了振動(dòng)分析,并對其結構方案選型及一般要求、振動(dòng)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(dòng)設備擾力作用下滿(mǎn)足振動(dòng)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(wèn)題：剛度分析：靜態(tài)剛度是以滿(mǎn)載靜力作用下的靜位移來(lái)表征，動(dòng)態(tài)剛度是指其動(dòng)態(tài)特性，是以其系統的滿(mǎn)載自振頻率來(lái)表征。對剛度的研究本文從這兩個(gè)方面入手分別計算。強度計算時(shí)本文首先將載荷分類(lèi)：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(dòng)載荷組成c.偶然組合由地震作用、風(fēng)載荷組成。在樓架承載力計算時(shí)進(jìn)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(dòng)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(jìn)行計算時(shí)，計算簡(jiǎn)圖按下列規定確定：(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(lái)計算[5]。

文獻[6]對空間構架式機器基礎強度的計算時(shí)，也是首先對載荷分類(lèi)，然后進(jìn)行組合計算構件的內力。其計算過(guò)程也為本文提供了依據。

關(guān)于樓架桿件穩定性的研究：對于細長(cháng)的或薄壁的受壓機構及彎-壓結構存在失穩問(wèn)題，失穩對結構會(huì )產(chǎn)生很大的破壞，設計時(shí)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，需要校核計算。文獻[1][8]提出了對立柱進(jìn)行穩定性計算，為避免桿件失穩。

總之，樓架的設計要根據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(dòng)力機器基礎設計時(shí)應根據機器的動(dòng)力特性,建筑場(chǎng)地的地基情況和周?chē)h(huán)境對限制振動(dòng)的要求等因素,確定安全可靠、適用、經(jīng)濟合理和技術(shù)先進(jìn)的基礎方案。機器基礎的設計,按機器的動(dòng)力特性,分別采取:(1) 不作動(dòng)力計算,只需進(jìn)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(dòng)力計算,但需將動(dòng)載荷化為當量靜載荷后進(jìn)行靜力計算;(3) 需要進(jìn)行動(dòng)力和靜力計算[13]。

動(dòng)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間的相關(guān)關(guān)系, 給出具體、簡(jiǎn)捷的設計步驟。計算選取了與《動(dòng)力機器基礎規范》中規定相一致的理論， 即“質(zhì)量—彈簧—阻尼”理論。這種方法大大簡(jiǎn)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(jìn)行分析靜態(tài)分析和模態(tài)分析，更好的展現在工作情況下樓架的實(shí)際情況，顯現出樓架中的危險部分，可以針對問(wèn)題對樓架機構進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)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。

有限元法作為求解數學(xué)物理問(wèn)題的一種數值方法,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(shù)之一，廣泛應用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導等領(lǐng)域，其基本思想是將結構離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復雜的對象，單元之間通過(guò)有限個(gè)節點(diǎn)相互連接，然后根據變形協(xié)調條件綜合求解。

利用有限元可以進(jìn)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(jìn)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(mǎn)足要求。

文獻[16-18]利用有限元可以進(jìn)行地震響應分析。基于有限元法研究了土坯民房的地震響應特征, 利用大型有限元分析軟件ANSYS, 針對我國西北農村地區尤其是甘肅省農村地區內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(lèi)型房屋的地震響應特征, 為我國西北農村地區現有土坯民房的加固和整治提供理論依據和對策性建議。

模態(tài)分析用于確定設計結構或機器部件的振動(dòng)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(dòng)態(tài)載荷結構設計中的重要參數[19]。同時(shí)，也可以作為其它動(dòng)力學(xué)分析問(wèn)題的起點(diǎn)，例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應分析和譜分析，其中模態(tài)分析也是進(jìn)行譜分析或模態(tài)疊加法諧響應分析或瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析所必需的前期分析過(guò)程[20]。振動(dòng)模態(tài)是彈性結構的.固有的、整體的特性。如果通過(guò)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各階主要模態(tài)的特性, 就可能預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下實(shí)際振動(dòng)響應。因此,模態(tài)分析是結構動(dòng)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,研究系統的固有振動(dòng)特性. 模態(tài)分析的基本理論是：首先要建立該系統的動(dòng)力方程.多自由度的運動(dòng)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(lái)建立[22-24]。

在振動(dòng)機械中，利用有限元模態(tài)分析的應用實(shí)例，如下有：

文獻[21]利用有限元軟件進(jìn)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(dòng)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(jìn)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(jìn)行理論分析計算系統的固有頻率, 然后在A(yíng)NSYS 中用實(shí)體建模的方法建立機床模型, 通過(guò)網(wǎng)格劃分和加載求解來(lái)得到系統的固有頻率。最后, 將理論計算結果與軟件運算的結果進(jìn)行比較, 通過(guò)對結果的分析來(lái)得出結論。使用ANSYS 模態(tài)分析可以將繁雜的分析過(guò)程簡(jiǎn)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(dòng)篩偏心軸的振動(dòng)特性，通過(guò)工程分析軟件ANSYS 對其進(jìn)行了建模與模態(tài)分析。詳細闡述了模態(tài)分析的全過(guò)程，從建模環(huán)境的選擇，偏心軸實(shí)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(jiǎn)單處理為剛性約束的方式，更加真實(shí)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(jiǎn)便，計算快捷，得到直觀(guān)振型形象。模態(tài)分析有效預估了結構的振動(dòng)特性，為選擇電機參數提供依據，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(jìn)行模態(tài)分析,獲得結構的頻率和振型,根據分析結果提出改進(jìn)支架結構的方案,并再次進(jìn)行有限元計算,驗證改進(jìn)方案的可行性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的振動(dòng)支架工作可靠,使用壽命長(cháng)。

本文在對樓架設計進(jìn)行理論計算和有限元軟件分析的基礎上，可以對樓架進(jìn)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，應用現代數學(xué)理論和現代計算技術(shù)，進(jìn)行最優(yōu)化方案設計的模塊化設計系統，它采用設計變量，目標函數和約束條件三要素來(lái)尋求方案的最優(yōu)結果。也是一種解析優(yōu)化的方法用數值優(yōu)化提高再設計過(guò)程[29]。

如對某大型電除塵器鋼支架進(jìn)行了優(yōu)化設計[30-31]，針對原結構存在的問(wèn)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定設計包括平面內的穩定設計和平面外的穩定驗算。正確而合理地運用各類(lèi)型鋼的幾何特性,盡量爭取支撐和系桿平面內和平面外的長(cháng)細比接近,盡量縮短支撐和系桿的計算長(cháng)度，簡(jiǎn)化連接方式,構造出傳力清楚、安全可靠、構造簡(jiǎn)單的連接方式。

應用模態(tài)分析的振動(dòng)支架優(yōu)化設計[32],支架固定在振動(dòng)實(shí)驗臺上隨著(zhù)實(shí)驗臺一起振動(dòng),實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現其振動(dòng)支架經(jīng)常出現裂紋,無(wú)法保證實(shí)驗的正常進(jìn)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(jìn)行模態(tài)分析,研究其振動(dòng)特性,從而提出改進(jìn)支架結構的方案,為使系統避免產(chǎn)生共振現象,可采用提高系統剛度的方法來(lái)避開(kāi)共振區。改進(jìn)后運用ANSYS軟件再次進(jìn)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(dòng)，有益于周?chē)蛟O備維護人員的舒適度。為了減少樓蓋的垂直振動(dòng),設備布置應符合下列要求[33]：1) 上下往復運動(dòng)的機械應布置在支架的支柱附近。2) 水平往復運動(dòng)的機械宜布置在梁的跨中部位,并應使擾力沿梁的軸線(xiàn)方向作用。為了減少支架的水平振動(dòng),應采取下列措施 :1) 使水平往復或旋轉運動(dòng)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(dòng)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(jiǎn)易措施來(lái)改善豎向振動(dòng)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(jìn)行驗算和優(yōu)化，所以樓架的結構和選材不進(jìn)行研究，在進(jìn)行瀝青攪拌樓的樓架設計時(shí)需要進(jìn)行動(dòng)力特性分析以及強度和穩定性的計算。并就樓架可行性與經(jīng)濟性進(jìn)行驗算和優(yōu)化。

關(guān)于樓架的抗振型分析：要使樓架具有良好的動(dòng)態(tài)性能必須保證它具有足夠的靜、動(dòng)態(tài)剛度。靜態(tài)剛度是以滿(mǎn)載靜力作用下的靜位移來(lái)表征，動(dòng)態(tài)剛度是指其動(dòng)態(tài)特性，是以其系統的滿(mǎn)載自振頻率來(lái)表征。設計動(dòng)力機器機架的基本目標是限制其振動(dòng)幅值和自振頻率，以滿(mǎn)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(dòng)力計算時(shí)首先要確定機器的擾力作用方向和擾力值及其作用點(diǎn)的位置，然后按瀝青攪拌設備的擾力性質(zhì)，采用相應的動(dòng)力計算公式，計算樓架的振動(dòng)幅值、振動(dòng)頻率，使之不超過(guò)允許極限值。

關(guān)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(diǎn)的應力都不得大于允許應力。強度計算時(shí)主要進(jìn)行內力分析、載荷組合、和承載能力的驗算。其中內力分析包括動(dòng)內力、地震內力、以及各種靜載荷內力的計算。通過(guò)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(wèn)題。

關(guān)于樓架桿件穩定性的研究：對于細長(cháng)的或薄壁的受壓機構及彎-壓結構存在失穩問(wèn)題，失穩對結構會(huì )產(chǎn)生很大的破壞，設計時(shí)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，需要校核計算。研究時(shí)由于樓架受力情況復雜，需要對立柱所受外力簡(jiǎn)化、近似處理等從而計算出立柱所能承受的臨界壓力。

關(guān)于樓架可行性與經(jīng)濟性進(jìn)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(jìn)行比較, 通過(guò)對結果的分析來(lái)得出結論或進(jìn)一步的優(yōu)化。

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開(kāi)題報告是生畢業(yè)論文工作的環(huán)節，是指為、審核和畢業(yè)論文題目而做的專(zhuān)題書(shū)面報告，它是生實(shí)施畢業(yè)論文課題的前瞻性計劃和依據，是監督和論文質(zhì)量的措施，訓練生科研能力與學(xué)術(shù)作品撰寫(xiě)能力的的實(shí)踐活動(dòng)。以下是機械研究生開(kāi)題報告范文，歡迎閱讀。

院(系)名稱(chēng)：機電工程系

專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：機電一體化

年級：09機電三班

學(xué)生姓名：夏**

學(xué)號：******

指導教師姓名：袁**

設計題目：電梯控制系統的PLC原理圖及梯形圖設計

電梯的國內外研究動(dòng)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，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(chǎng)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(zhù)社會(huì )的發(fā)展，建筑物規模越來(lái)越大，樓層越來(lái)越多，對電梯也提出了更高的要求。

隨著(zhù)科技的進(jìn)步，電梯也更加安全、舒適。然而，人們的追求并沒(méi)有就此停止下來(lái)，仍在不斷地進(jìn)行研究改進(jìn)。21世紀開(kāi)始國際開(kāi)始強調“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(shí)現綠色，也就是強調電梯更舒適、更安全地為人類(lèi)的生產(chǎn)和生活服務(wù)，強調電梯與環(huán)境的協(xié)調與和諧。

目前意義上的“綠色”，一般是強調“天然”的一面，強調與環(huán)境的協(xié)調與和諧。電梯屬于純粹的工業(yè)產(chǎn)品，其天然性應表現為對環(huán)境影響的盡可能小，與環(huán)境的協(xié)調與平衡，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(shuō)的智能化電梯是傳統的人工智能是無(wú)法勝任的。傳統的智能控制是一種技術(shù)的事先安排，說(shuō)到底是一種程序控制，是一種周期性的系統自動(dòng)控制，實(shí)際上還算不上智能。而真正的智能電梯應更具人性化特點(diǎn)，不僅具有傳統的人工智能的所有優(yōu)點(diǎn)，而且還有傳統的人工智能無(wú)法比擬的東西，具有動(dòng)念和隨機處理各種問(wèn)題的能力，諸如能根據轎廂內的情況和各層的候梯信息，自動(dòng)地制定每次最優(yōu)的運動(dòng)速度和停車(chē)政策;自動(dòng)選擇運動(dòng)方面;雙向語(yǔ)音交流;到達目的層的語(yǔ)音提示等，讓乘客有更多的主動(dòng)性，使大樓交通運輸實(shí)現真正的人機對話(huà)。智能化要求電梯有自動(dòng)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(shí)報警予以排除。

(2)安全。運行安全是電梯的根本和關(guān)鍵。可以說(shuō)，電梯的全部其他工作都是以此為中心展開(kāi)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(dòng)時(shí)較強的電磁輻射，使用安全材料和運行穩定，而且要有一種良好的視覺(jué)效果，讓每一位乘客在寬敞、明亮轎廂內有安全、舒適的好心情。同時(shí)，電梯運行安全也要求電梯在運行中發(fā)生故障時(shí)，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(dòng)播放讓乘客感到放松的音樂(lè )，徹底消除產(chǎn)生緊張不安的情緒。當小孩和老人乘坐時(shí)，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(dòng)休眠功能，使電梯在保證運行效率最高的同時(shí)，使電梯能最大限度地得到休眠。

(3)與環(huán)境的協(xié)調和平衡，包括以下幾個(gè)方面：

①視覺(jué)協(xié)調。有人曾經(jīng)做過(guò)環(huán)境色彩是否對人有影響的研究。該研究發(fā)展：視覺(jué)不協(xié)調的環(huán)境色彩對人的情緒、精神影響非常大。色彩宜人，格調高雅，制作精良的電梯，乘客自然會(huì )有一種安全的感覺(jué)，有一種視覺(jué)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(jué)協(xié)調無(wú)從談起，乘坐電梯的第一感覺(jué)就是不安全。國內的許多電梯公司對此的重視是遠遠不夠的，甚至不少通過(guò)引進(jìn)國外技術(shù)國產(chǎn)化的電梯也顯露出一副土生土長(cháng)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(dòng)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(gè)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(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、通訊自動(dòng)化的正常運轉。

③舒適感。通過(guò)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(xiàn)，實(shí)現更穩定、更舒適的運行。

對現代化電梯性能的衡量，主要著(zhù)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(zhù)時(shí)代的發(fā)展，相信電梯行業(yè)會(huì )越來(lái)越貼近生活。

研究的主要內容及所解決的問(wèn)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(shí)際上是一種專(zhuān)用計算機，它采用巡回掃描的方式分時(shí)處理各項任務(wù)，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(huì )工作;又由于PLC中的內部輔助繼電器及保持繼電器等實(shí)際上是PLC系統內存工作單元，即無(wú)線(xiàn)圈又無(wú)觸點(diǎn)，使用次數不受限制，屬無(wú)觸點(diǎn)運行，因此，它比繼電器控制有著(zhù)明顯的優(yōu)越性，運行壽命更長(cháng)，工作更加可靠安全，自動(dòng)化水平更高。PLC控制是三種控制方式中最具有可靠性、實(shí)用性和靈活性的控制方式，它更適合于用在電梯的技術(shù)改造和控制系統的更新?lián)Q代，是電梯控制系統中理想的控制新技術(shù)。

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(zhù)PLC應用技術(shù)的不斷發(fā)展，將使得它的體積大大減小，功能不斷完善，過(guò)程的控制更平穩、可靠，抗干擾性能增強、機械與電氣部件有機地結合在一個(gè)設備內，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(guān)鍵技術(shù)。因此，研究plc技術(shù)更具有了戰略性的意義。

Plc的研究?jì)热菁按胧?/strong>