开题报告绪论

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华 北 电 力 大 学

博士研究生

选题报告及论文工作计划

研究生姓名 赵怀璧 学 号 院(系、所) 能源动力与机械工程学院 学科、专业 流体机械及工程 指导教师 王璋奇 专业技术职务 教授 副指导教师 专业技术职务 教授 入学日期 2008年9月1日

2011年3月10日

拟选论文题目:夹钳式钢坯吊具的优化及集成设计系统研究(建议改为“夹钳式钢坯吊具的优化及集成设计研究”) 选题报告会地点:华北电力大学教八518 选题报告会日期: 2011年3月10日 文献综述与选题报告要求: 1. 查阅并阅读一定数量的文献资料,其中,选题报告中引用的外文文献不少于20篇(如相关学科、专业有更高的要求,以该专业培养方案要求执行),写出文献综述与选题书面报告,要求在5000字以上(不含图表); 2. 书面报告内容应包括:选题背景及其意义,国内外研究动态,课题研究内容,研究方案,工作特色及难点,预期成果和可能的创新点等; 3. 填好“选题报告及论文工作计划”表,连同书面报告一起交院(系),由院(系)交研究生院(筹)备案; 4. 详细要求参见研究生培养方案和华北电力大学博士研究生必修环节实施细则; 5. 书面报告的格式见附件。 阅读国内外文献情况: 国内文献约 60 篇,国外文献约 35 篇 主要文献:见参考文献 导师对选题报告的评语(就研究生对学科发展国内外研究现状的了解情况、研究方法、研究手段、预期成果予以评价): 导师签名: 年 月 日 评审小组对选题的意见(是否同意选定该课题、是否同意选题报告通过、以及对下一阶段研究工作的建议;其他建议,如限期重作选题报告、终止培养建议等): 评审小组成员签名:

论 文 工 作 计 划

论文工作的总体时间安排: 1)文献查阅、选题阶段(2010.5-2010.10)改日期 查阅相关的中、英文资料,对所选的课题的发展现状及其国内外动向进行较深入的了解,做好选题的准备工作。 2)调研阶段(2010.11-2011.2)改日期 进行调研,为以后的课题分析与开展做基础。 3) 开题报告(2011.3) 根据查阅的文献资料,结合调研情况以及分析结果撰写开题报告。 4)理论推导阶段(2011.4-2011.9)改日期 对发电机正常运行情况下、气隙偏心单故障下、转子励磁绕组匝间短路单故障下、定子绕组匝间短路单故障下、气隙偏心与转子短路复合故障、气隙偏心与定子短路复合故障下的定子振动特性、转子振动特性、定子并联支路环流特征定性地理论推导、总结与区分。改内容 5)实验验证阶段(2011.10-2012.2)改日期 在动模实验室用SDF-9型故障模拟发电机和MJF-30-6型故障模拟发电机进行实验验证,找出与理论分析的差距并作出改进。改内容 6)论文总结及预答辩阶段(2012.3-2012.4) 对前期阶段的工作进行总结,撰写毕业论文,并积极准备毕业答辩。 论文工作预计完成日期:2012年3月15日改日期 工作条件(图书资料、实验设备、经费及其他条件)落实情况: 已落实 论文选题来源、项目所属类别(国家重点、部委、省(市)、企事业委托、校重点、自选等)及经费来源情况: 企事业委托:课题经费来源于巨力索具集团公司“钢坯夹具智能集成设计系统”项目。 论文类型 ⑴基础(理论)研究 ⑵应用基础(理论)研究 ⑶√应用研究 ⑷开发研究 ⑸其它

附件:

夹钳式钢坯吊具的优化设计及集成设计系统(建议改为“夹钳式钢坯吊

具的优化及集成设计研究”)

一、选题背景及其意义 1.1夹钳式钢坯吊具概述

钢坯是指炼钢厂在精轧之前的毛坯,常见的钢坯形状是板坯和矩形坯。夹钳式钢坯吊具是钢铁厂、港口、码头等单位大批量转运钢坯的专用工具,是用于工程生产企业夹装及吊取设备与物资,利用杠杆原理、摩擦学等力学原理研制的工程器具,这种吊具无需电能消耗,适应性强,可以在无地面人员配合的条件下自由的装卸物品特性。无需外力辅助,就可实现对钢坯的夹持,且夹持可靠,动作灵活,吊运安全可靠。

此类器具同时具备夹具与吊具的功能与特征,是两者的合成体。夹钳式钢坯吊具分固定式和可调式,以适应不同规格和不同层数钢坯的吊运。吊具工作时,利用起重机的升降操作和吊具自重,通过夹钳的自动夹放过程完成物品的夹持和卸放。吊具起闭器采用高强度高耐磨的合金钢制造,动作灵活,使用寿命长。

夹钳式钢坯吊具的设计理论是当主动力与接触表面法线间的夹角小于或者等于摩擦角时,不管主动力多大物体都保持相对静止而形成自锁的物理现象。即夹持力接触表面法线的夹角小于或等于钳牙的摩擦角时,不管夹钳所夹持的被吊物多重,仍能保持夹持过程中不滑脱这一物理现象就是重力式夹钳的设计原理。

本文研究的夹钳式钢坯吊具主要由吊梁、连杆、启闭机构、同步器、钳臂、支板和钳牙七部分组成。夹钳吊具示意图如图1.1所示。

图1.1夹钳式钢坯吊具示意图

1)吊梁

吊梁是与天车钩相连的部件,有吊环卸扣式联接、吊索具式联接和吊耳式联接三种结构,性能分别如下:吊环卸扣式联接吊轴,使吊具的受力情况改善,同时也避免了装卸钢坯时的脱钩现象,降低了夹具本身的高度,有利于低矮的场所使用。吊索具式联接吊轴,使夹具的受力较好,但吊具自身的高度大,需在高大的场所使用,在挂吊钩时需用人工进行辅助挂钩。吊耳式联接吊轴,可由吊车司机直接挂钩, 但在吊装作业时需使吊具着地,并下放吊钩直至不受力为止,这样,易导致吊车钩脱钩。

2)连杆

连杆是吊梁和钳臂的连接件。 3)启闭机构

启闭机构有手动抬杆式、(自动)双钩式、(自动)单钩式、(自动)转锁式等形式。自动启闭机构是实现钢坯夹具自动开闭的机构。 其动作不需要任何外来动力源,靠夹具自身的重力实现夹具的自动开闭。

4)同步器

同步器是保证夹具各钳臂同步动作的装置。 5)钳臂

钳臂是夹具的主要增力部件,通过它把钢坯夹起。 6)支板

支板是钢坯夹具的支撑件。支板支在钢坯的上表面以保证钢坯夹具的启闭机构顺利动作。

7)钳牙

钳牙有销轴联接式、燕尾联接式和槽形插接式等结构。钳牙是与钢坯直接接触的主要零件,决定着钢坯夹具夹持钢坯的可靠性。搬运板坯用夹钳装置,是在多年的生产经验基础上,吸收国内外同类产品的先进经验开发生产的。无需电能消耗,无电磁波干扰,使用安全可靠,适应性强。经实际使用证实,此吊具可以在无地面人员配合的条件下,自由的装卸钢坯,是一种理想的钢坯用吊具。

1.2 研究的目的和意义

夹钳式钢坯吊具由多杆机构组成,完成对钢坯的夹取、运送、卸载等多项工作,其设计水平的高低直接影响工作装置性能的好坏,进而影响整台设备的工作效率与经济指标。所以,对夹钳式钢坯吊具的研究具有现实的意义。

巨力索具股份有限公司生产的钢坯夹具年生成量很大。钢坯夹具的基本结构形式已经成熟,但是不同的用户对关键设计参数有不同的要求,因此每个产品都需要重新设计,并进行强度校核,设计工作量大,不利于企业效益的最大获得,因此有必要为企业设计一套可供重复利用的吊具设计系统。

在进行设计时,首先需要对夹具进行总体结构设计,确定关键参数以满足设计需要,然后对夹具零件进行强度校核,保证夹具的安全可靠性。由于夹具系统结构、零件的复杂性,目前的设计过程中,采用简化计算方法进行初步校核。采用简化计算方法进行强度和安全性分析时,存在一些问题,一般是根据经验假定零件的几何尺寸,然后校核关键截面的尺寸,并进行计算。不满足要求,则重新选择参数,效率低,很难实现设计过程的自动化;其次,由于零件几何尺寸不规则性,无法对零件的最危险截面进行强度校核,而只能对简单的比较危险的截面进行强度校核计算,无法全面了解零件内应力的分布规律,因而只能通过增大安全系数的方法提高产品的安全性;第三,采用简化计算方法很难得到复杂零件的整体受力情况,更不能为进一步的主要零件形状的优化设计提供有价值的信息;第四,在进行钢坯夹具结构设计时,需要具备较高的专业知识和丰富的经验进行推理、综合、类比才能设计出各零件的结构和尺寸。这种设计方法对设计人员知识和经验的依赖性很大。因此,必须寻找更为高效、高精度的设计方法,开发相应的设计系统,以满足吊具的设计要求。

目前夹具设计只考虑吊具处于平衡状态时的静力学分析,但对于大吨位的钢坯起吊吊具,其动态特性会直接影响吊具工作的安全可靠性,因此吊具系统不仅要进行平衡状态下的静力学分析,还必须进行吊具系统的运动学和动力学分析,以全面掌握吊具系统的力学特性,为重量轻、高度低的吊具设计提供条件。

综上,针对目前对吊具的设计方面的不足和缺乏动力特性、优化方面的分析,本文拟采用两阶段的优化设计思想,分别从总体设计和零部件设计两方面对夹具进行优化设计,以获得满足使用要求的最佳设计方案。首先建立夹钳式钢坯吊具的总体结构动力学分析模型,以关键参数为优化变量,以夹具总体高度最低、各关键关节受力最小为优化目标,对总体设计参数进行优化。然后分别建立关键零部件的有限元分析模型,以结构重量最小为优化目标,对各零部件进行结构优化设计。论文的研究成果对于提高夹具的设计效率和安全可靠性具有重要的实用价值。 二、国内外研究动态

夹钳式吊具的结构形式已基本定型,一些部件也已实现标准化、序列化,其设计过程有一定规律可循,若能将设计与校核数据集成到一起,使得两者互补共进则可大大提高设计与校核的效率与精度,实现吊具在结构、取材和用料上的最优化。因此,对于夹钳式吊具这种结构形式比较成熟、应用量大且需针对不同应用情况进行结构调整的产品进行智能优化设计研究并开发出通用高效的智能集成辅助设计系统(CIIDS)具备积极意义。

由于夹钳式吊具的实用性,该器具已被大量应用于各个行业。而由于各行业夹装对象的多样性和夹钳式吊具夹吊结构的特殊性,各行业需要的夹钳式吊具的结构参数、强度要求都有所不同,这就需要针对不同应用情况对夹钳式吊具进行专门的结构设计和强度校

核。在进行结构设计时,需要具备较高的专业知识和丰富的经验进行推理、综合、类比才能设计出最优化的零件结构和尺寸。这种设计方法对设计人员知识和经验的依赖性很大,且对于夹钳式吊具这种结构形式比较成熟的产品,设计人员需要重复推理综合类比,工作枯燥且效率低。

现有方法在进行强度校核时,由于结构、零件的复杂性,首先需要知道零件的准确几何尺寸并进行计算,很难实现设计过程的自动化;其次,由于零件几何尺寸不规则性,无法对零件的最危险截面进行强度校核,而只能对简单的比较危险的截面进行强度校核计算,无法全面了解零件内应力的分布规律,因而只能通过增大安全系数的方法提高产品的安全性,无法为主要零件形状的优化设计提供有价值的信息。

目前已有的研究成果侧重于对各种吊具的传统结构设计、强度性能分析以及结构改进,少有将吊具的设计与校核集成到一起以实现智能优化设计的相关报道。在已有的研究成果中,文献[1-16]具有代表性,其中文献[1-5]针对于吊具的传统设计,文献[6-9]针对吊具的强度性能分析,文献[10-16]则是针对于吊具结构改进。这些文献为吊具的设计、分析与改进提供了厚实的研究基础与设计参考,但这些文献当中尚无针对夹钳式吊具进行智能化集成设计的相关研究。本文将在参考这些文献的基础上对夹钳式吊具的优化集成设计进行研究,并开发相应的智能化集成设计辅助系统。

夹钳式起吊夹具的研究涉及内容较广,其中主要包括吊具的设计和分析两个方面。当吊具的结构及工作装置的设计方案确定以后,则需要检验设计结果的合理性,即需要对其工作装置进行分析,

文献[17-23]对各类吊具进行了系统介绍与分析:文献[1]对轴用夹钳吊具进行了整体介绍;文献[18]介绍了秦山核电二期工程反应堆压力容器顶盖吊具的自主化设计情况,包括结构设计、力学分析和制造安装等;文献[19]介绍了一种叉车专用悬臂型吊具;文献[20]以主梁弯曲应变能最小为目标确定了吊索张力,通过迭代计算对主缆线形及内力进行了求解,得到吊索安装前主缆在塔顶的预偏量和各索夹在主缆上的定位。文献[21]对断裂起重机吊具ZG270-500铸钢的化学成分、硬度、显微组织、断口形貌等进行了检测和分析;文献[22]对四连杆卧式30t钢卷吊具的钳腿进行了有限元分析和计算;文献[23-32]分别对码头集装箱吊具[23-25]、变压器铁心用硅钢片卷料吊具[26]、钢焊接结构井式炉吊具[27]、大型桥梁构件的起重吊具[28]、大型钢管砼拱桥整体吊装专用吊具[29]、弹箭吊具[30]、卧式钢卷吊具钳腿[31]和大型设备专用吊具[32]进行了结构改进。这些文献为吊具的设计、分析与改进提供了厚实的研究基础与设计参考,本文将在参考这些文献基础上,采用基于元模型的设计方法对工程夹钳吊具的结构进行设计、校核与优化。 三、课题研究内容

3.1夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学分析

本内容采用Adams建立夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学模型,采用ADAMS软件对30T夹钳式钢坯吊具进行仿真分析。首先,在Solid Edge中建立吊具的几何模型,并通过通用数据格式导入到ADAMS中,建立虚拟样机模型,对吊具的同步性进行仿真,并给出相对误差。然后,模拟吊具工作状况,对其进行静力学仿真,分析了吊具夹取钢坯时的夹紧力、摩擦力以及各个关节处受力。最后,对夹具在不同的起吊速度加速度时进行动力学仿真分析,给出吊具合适的起吊速度和加速度,并分析夹取不同尺寸规格钢坯时的夹紧力、摩擦力以及各个关节处的最大受力。通过以上分析,全面掌握吊具系统的力学特性,为重量轻、高度低的吊具设计提供条件。

Adams(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学分析软件。它具有交互式图形环境和零件库、约束库、力库、常见完全参数化的机械系统模型,求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法,建立系统动力学方程,对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析,可以输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

Adams可以方便的导入其他CAD软件的模型。本文采用在其它CAD软件中建立模型,然后导入到Adams中的建立几何模型的方法。Solidedge软件是美国UGS公司为机械设计量身定做制的CAD软件,采用parasolid作为软件核心。提供了强大的零件设计、装配设计、参数化设计、基于特征的实体造型计算和曲面造型技术,提高了设计工程效率,缩短了学习时间,具有更简便的操作性和实用性[2]。交互界面友好,提供IGES、STEP、Parasolid等多种数据格式,可以与Pro/E,UG,AutoCAD等多种CAD软件以及Ansys,Adams等CAE软件进行数据交换,联合仿真建模。

3.2夹钳式钢坯吊具的参数化模型

钳臂部件设计以参数化模型为基础,通过对其中多个参数的修改驱动生成符合实际需要的部件模型。钳臂部件主要包括钳臂钳板、固定筋板、衬套、钳牙座等。设计过程中所涉及到的尺寸除了这几个钳臂部件的几何参数尺寸外还包括这几者之间的配合关系尺寸。图3.1给出了钳臂部件设计过程中所涉及到的具体参数要素。

(a) 钳臂部件配合关系设计要素

(b) 钳臂钳板设计要素

(c) 钳牙座设计要素

图3.1 钳臂部件设计要素

(d) 筋板设计要素 (f) 衬套设计要素

3.3夹钳式钢坯吊具的优化方法

夹具优化设计是在夹具动力学模拟和结构有限元分析的基础上进行,是一个基于模拟技术的优化设计问题,优化设计过程中需要调用大量的数值模拟过程,优化模型没有显示表达式。本文提出一种基于元模型技术的优化设计方法,以解决此优化设计问题。

元模型技术对含大计算量数值模拟的设计问题有广泛的应用,采用元模型可以极大提高基于模拟方法的优化设计方法的效率,同时可以揭示黑盒子函数的函数结构、各设计变量的相关性,为复杂问题解耦和分解提供基础。元模型方法主要包括采样方法、近似模型、模型拟合、模型评价四个问题,这四个问题决定了元模型的效率和精度。本部分针对大计算量黑盒子函数,围绕上述四个问题进行研究,提出适用于夹具动力学模拟的元模型建模方法。

然后研究在元模型技术支持下的多目标优化设计方法,提出一种新的采样方法,使得Pareto集附近有近可能多的采样点,同时保留采样点的多样性,大大减少调用大计算量功能函数的次数,以得到精度和效率都高的多目标优化方法。

3.4夹钳式钢坯吊具的集成设计系统

本文以Visual Basic 6.0为开发工具,以Solid Edge V15为参数化建模平台,在此平台上进行二次开发,后台数据库采用SQL Server 2000,以Auto CAD 2004作为二维图形输出平台(VBA驱动),以Word 2003作为计算说明书输出平台,对工程夹钳式吊具智能集成设计系统进行开发。

系统开发共分为七个模块进行,各模块分工如下,各模块间的相互关系如图3.2所示。 1)数据库模块:存储用户、工程、零件、材料、标准件等信息;实现各种数据的读取、修改、各模块间的数据交互以及数据的定期备份与手动备份。

2)参数化建模显示:读取零件参数;参数化驱动实现三维建模;调用动态库实现显示;实现零件尺寸修改和三维显示的实时交互。

3)优化设计模块:结构总体优化设计、干涉检查、尺寸检查;核心零件的优化设计。 4)结果输出模块:三维模型输出(solid edge格式);计算报告书输出(word格式);二维工程图输出(CAD格式)。

5)工程管理模块:工程进度管理、历史工程管理。 6)帮助模块:提供系统使用帮助与说明。

结构设计 工程管数据库模块 理 系统三维实体显示 二维工程图生成 设计说明书 吊具校核 帮助

图3.2 系统模块关系

本文开发的工程夹钳式吊具智能集成设计系统具备以下功能: 1)能够实现钢坯夹具自动化智能设计;

2)与设计人员交互方便,并能对新钢坯夹具实现校核; 3)实现面向生产的工程图的输出;

4)能够自动输出符合工程实际的设计说明书; 5)完成三维效果图的输出。

四、研究方案及难点

此处补充研究方案及难点

五、预期成果和可能的创新点

4.1夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学

本文利用Solidedge和Adams联合建立30T夹具的虚拟样机模型,对夹具的静力学特性、运动特性和动力学特性进行仿真分析,针对不同的工况,对吊具系统进行运动学、静力学和动力学分析,验证了吊具系统的稳定性和可靠性,为该夹具的优化设计提供理论依据。

4.2夹钳式钢坯吊具的优化方法

将元模型方法、Monte Carlo 随机模拟方法有机结合,提出一种搜索Pareto集的采样方法,高效寻找Pareto点集,建立效率、精度均高的多目标优化设计方法。

5.本文的研究路线和方法(这部分放到研究方案及难点)

本文的研究思路是:分析实现夹钳式钢坯吊具设计的方法和现有的研究成果,针对传统夹钳式钢坯吊具设计中的不足,对于已有的夹具设计方法进行改进,分别针对夹具设计过程中主要需要解决的夹具设计、夹具动力学特性、夹具的参数化模型和夹具的设计实例等几个方面进行研究。首先,从夹具设计过程中必须的特征识别入手,结合基于图的特征识别方法,研究从三维模型中识别出夹具,输出三维效果图。其次,鉴于目前对夹具缺乏动力学特性分析,本文采用Adams建立夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学模型,采用ADAMS软件对30T夹钳式钢坯吊具进行仿真分析。第三,通过以钳臂部件设计参数化模型为基础,生成符合实际需要的部件模型。第四,在夹具动力学模拟和结构有限元分析的基础上,本文提出一种基于元模型的优化设计方法,以解决此优化设计问题。

6.本文的组织结构(建议去除此节)

本文组织结构如图1.4所示。第一章简要概述对夹钳式钢坯吊具研究的目的和意义、国内外现状、主要研究内容等。第二、三、四、五章为本文主要研究内容,第六章是总结和展望。

全文分为六章,主要内容如下:

第一章:绪论:介绍本文的研究背景、主要内容、创新点和文章组织结构。 第二章:夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学分析。主要采用Adams建立夹钳式钢坯吊具的机械系统动力学模型,采用ADAMS软件对30T夹钳式钢坯吊具进行仿真分析。

第三章:夹钳式钢坯吊具的参数化模型。钳臂部件设计以参数化模型为基础,通过对其中多个参数的修改驱动生成符合实际需要的部件模型。

第四章:夹钳式钢坯吊具的优化方法。夹具优化设计是在夹具动力学模拟和结构有限

元分析的基础上进行,是一个基于模拟技术的优化设计问题,优化设计过程中需要调用大量的数值模拟过程,优化模型没有显示表达式。本文提出一种基于元模型技术的优化设计方法,以解决此优化设计问题。

第五章:系统的开发与实现,利用以上理论开发一套夹钳式钢坯吊具的集成设计系统,对工程夹钳式吊具智能集成设计系统进行开发。

第六章:总结和展望,主要介绍本文的意义、价值,总结本文的研究成果和以后的工作方向。

本为最后是参考文献和致谢。

六、主要参考文献

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本文来源:https://www.bwwdw.com/article/8rt7.html

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