为获得超起拉索非保向力作用下伸缩臂结构几何非线性变形的理论解,将具有超起装置的伸缩臂受力模型等效为弹性支撑条件下的多级伸缩臂模型。基于小变形理论建立空间对称双拉索多级伸缩臂的静力平衡方程,推导计及轴力二阶效应的多级伸缩臂结构臂端挠度的递推表达式。以具有超起装置的伸缩臂结构为例,分析其在轴力、侧向力和弯矩作用下的几何非线性变形,获得任意多级伸缩臂臂端挠度,并与ANSYS仿真结果对比,给出不同弹性支撑刚度的伸缩臂几何非线性变形。分析结果表明推导的任意多级伸缩臂挠度递推表达式是正确的和合理的,能有效地满足工程实际应用。

为分析计及变幅油缸作用的起重机伸缩臂在轴向周期载荷作用下的动力稳定性即参数振动,分别建立伸缩臂起升平面内和平面外动力稳定性分析模型,运用Hamilton原理结合有限单元法建立计及油缸作用的起重臂参数振动方程,获得参数振动的临界频率,从而得到伸缩臂发生参数振动的区域,并研究存在阻尼时动力不稳定区域的变化趋势。以典型的五节起重机伸缩臂为例,给出伸缩臂起升平面内和平面外的动力不稳定区域,并取几个特殊点进行动力学响应分析。分析结果表明,起升平面内和平面外可同时发生参数共振现象,6个特殊点的动力学响应符合参数振动分析的结果;阻尼的存在能减小动力不稳定区域,且在振动幅值较小的情况下伸缩臂不会出现参数共振现象。

变截面格构式结构为工程实际中常见的复杂杆系结构,为高效、准确地分析其轴压稳定性问题,利用三次样条函数建立变截面格构式梁单元的位移场,基于有限元插值理论推导变截面梁单元的切线刚度矩阵。通过静力凝聚法消除单元节点的曲率自由度,获得一种全新的两节点变截面格构式梁单元。基于该新型变截面格构式梁单元,采用有限单元法研究悬臂变截面格构式结构和中间等截面两端变截面的组合格构式结构在典型约束下的失稳临界力,并将计算结果与Timoshenko精确解进行对比。结果表明,推导的变截面格构式梁单元是正确的和有效的,该新型梁单元可高效的应用于变截面格构式结构轴压临界力分析。

贯入器的头锥起着穿入土壤的作用,是贯入器的重要工作组件,其外部形状决定穿入过程中的阻力大小,阻力越小贯入器单次冲击的穿入深度越深。为了获得最优的头锥外形,提出利用三次样条插值法,以坐标为变量,建立可表示任意形状头锥的曲线方程,获得任意曲线头锥与土壤作用力大小的微分方程。以头锥所受的阻力最小为优化目标,利用遗传算法求得组成最优头锥的曲线坐标值,确定具体的头锥曲线形状。利用离散元仿真软件对比相同基本尺寸下的不同形状头锥所受阻力的大小,分析结果表明构件的最优头锥外形在贯入土壤的过程中所受到的平均阻力最小,验证了优化结果的正确性。