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基于虚拟样机技术的铸造起重机动力学特性深度解析与仿真优化

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业生产体系中，铸造起重机扮演着举足轻重的角色，是众多关键工业环节不可或缺的核心装备。在冶金行业，它承担着吊运高温钢水、铁水等液态金属的重任，从转炉装料区间将铁水精准装入转炉，到在精炼区间将钢水罐吊运至精炼炉，每一个步骤都离不开铸造起重机的稳定运作，其高效性与可靠性直接影响着钢铁生产的效率与质量。在重型机械制造领域，大型铸件的搬运、组装等工作也依赖铸造起重机来完成，保障生产流程的顺利推进。

传统的起重机设计方法存在一定的局限性，通常将动态问题简化为静态问题处理，采用动载系数来考虑动态载荷。这种方式虽然在一定程度上简化了设计过程，但无法精确反映起重机在实际运行中的复杂工况和动态性能。例如，在起重机启动、制动以及加速、减速过程中，其结构所承受的冲击振动和动载荷变化十分复杂，简单的动载系数难以准确涵盖这些动态因素，导致设计计算的结果与实际情况存在偏差，可能影响起重机的安全性和可靠性。

虚拟样机技术作为一种基于计算机仿真技术的新兴手段，为铸造起重机的动力学研究带来了全新的变革。它打破了传统设计的束缚，通过在虚拟环境中构建与真实物理系统高度相似的数字化模型，能够综合考虑起重机在各种工况下所承受的重力、摩擦力、惯性力以及弹性变形等多种复杂因素。利用虚拟样机技术，能够模拟铸造起重机在吊运液态金属时，由于液态金属的晃动而产生的额外动载荷对起重机结构的影响；还能分析在不同速度、加速度条件下，起重机各部件的受力情况和运动状态。通过这些精确的模拟和分析，可以深入了解起重机的动力学特性，提前发现潜在的设计缺陷和安全隐患。

研究基于虚拟样机技术的铸造起重机动力学仿真具有重要的现实意义。从性能提升角度来看，通过仿真分析得到的结果，能够为起重机的优化设计提供科学依据，有助于改进起重机的结构设计，提高其起升、运行等动作的平稳性和效率，降低能耗。在安全保障方面，准确掌握起重机在各种工况下的动力学性能，能够有效评估其安全性能，合理设置安全保护装置，减少因设计不合理或工况复杂导致的安全事故，保障操作人员的生命安全和企业的财产安全。

1.2国内外研究现状

在虚拟样机技术的发展进程中，国外起步较早，取得了丰硕的成果。早在20世纪80年代，美国、德国等工业发达国家就率先将虚拟样机技术应用于航空航天领域，在飞机设计过程中，利用虚拟样机技术对飞机的气动性能、结构强度、飞行稳定性等进行仿真分析，通过模拟飞机在不同飞行状态下的受力和运动情况，提前发现设计中存在的问题并进行优化，显著缩短了飞机的研发周期，降低了研发成本。随后，虚拟样机技术逐渐拓展到汽车、机械制造等行业。德国的汽车制造商在新型汽车的研发中，运用虚拟样机技术对汽车的动力系统、传动系统、悬挂系统等进行联合仿真，模拟汽车在各种路况下的行驶性能，优化汽车的设计参数，提高了汽车的整体性能和安全性。

国内对虚拟样机技术的研究起步相对较晚，但发展迅速。近年来，随着计算机技术和仿真软件的不断发展，国内众多高校和科研机构加大了对虚拟样机技术的研究力度，并在多个领域取得了重要突破。在工程机械领域，通过虚拟样机技术对装载机、挖掘机等设备进行动力学仿真，深入分析设备在作业过程中的力学特性和运动规律，为设备的优化设计提供了有力支持。在船舶制造领域，利用虚拟样机技术对船舶的推进系统、操纵系统等进行仿真研究，提高了船舶的设计质量和航行性能。

在铸造起重机动力学仿真方面，国外的研究侧重于多体动力学理论在铸造起重机建模与仿真中的应用，借助先进的仿真软件，如ADAMS、ANSYS等，对铸造起重机的起升、运行、制动等工况进行精确模拟，分析起重机各部件的动力学响应。通过建立考虑钢丝绳弹性、结构柔性以及各种非线性因素的复杂模型，深入研究起重机在复杂工况下的动态性能，为起重机的优化设计提供理论依据。部分研究还关注铸造起重机的疲劳寿命预测，结合动力学仿真结果和材料疲劳理论，评估起重机关键部件的疲劳寿命，为设备的维护和更新提供参考。

国内学者则针对铸造起重机的具体结构和工作特点，在动力学建模与仿真方面进行了大量研究。一方面，研究不同的建模方法，如刚柔混合建模，以提高模型的准确性和计算效率；另一方面，深入分析各种因素对铸造起重机动力学性能的影响，如温度场对结构热应力和变形的影响，以及不同吊运工艺对起重机动力学响应的影响。此外，一些研究还将虚拟样机技术与优化算法相结合，以起重机的结构参数、运行参数等为优化变量，以动力学性能指标为优化目标，对铸造起重机进行多目标优化设计。

尽管国内外在虚拟样机技术及铸造起重机动力学仿真方面取得了显著进展，但仍存在一些不足之处。部分研究在建模过程中对一些复杂因素的考虑不够全面，如铸造起重机在高温、高粉尘等