[发明专利]一种基于相似理论的起重机试验模型设计方法

说明书

本发明提供一种基于相似理论的起重机试验模型设计方法，首先根据相似理论和量纲分析法推导出相似比例关系，结合试验目的等实际情况，选择合理的相似比设计出合理的模型，然后利用软件分别建立原型和模型的有限元模型，对原型和模型在一定载荷条件下分析其应力、位移以及前两阶频率的相似关系，最后验证计算结果是否符合推导出的相似比例关系。应用此方法，可以实现对一般起重机械结构的相似模型设计，并且可以真实的反映原型工作的特征，以模型试验代替原型试验，便于对起重机械结构运作真实特性的研究。

技术领域：

本发明涉及一种基于相似理论的起重机试验模型设计方法，属于机械设备模型试验技术领域。

背景技术：

相似理论用于指导模型试验来确定模型与原型之间的相似程度。相似理论在工程的实际应用过程为建立原模型的相似模型并进行研究，得出相关的规律后将其用于指导和应用到原型中的过程。相似理论的核心内容为相似三大定理，即相似第一、第二和第三这三个定理。

相似第一定理为所研究的问题彼此相似(模型与原型的相似)且两者单值条件(系统的几何条件、介质物理性质等)相同，则问题的相似准则相等。相似第二定理(∏定理)为所研究的问题包含M个物理量(其中有N个基本量)，则个物M理量可相似准则∏₁、∏₂、……∏_M-N间的函数关系式来表示。相似第三定理为所研究问题的几何条件、物理性质等这些单值相似，且由这些单值条件推导出来的相似准则等，则问题彼此相似。相似三定理中，相似第一、第二定理把存在的相似现象当作求解问题的已知条件。而相似第三定理明确了只要已经或者正在研究的现象与原有现象的单值条件和相似准数相同，就可以把已经或正在研究的现象的结果还原到原有现象中去。

目前，相似理论的设计方法主要分为定律分析法、方程分析法和量纲分析法等3种。定律分析法与方程分析法需要以精确物理关系或数学模型为依据，这两种方法推导理论严谨，一般用在简单的结构或者已知物理方程关系的结构上，设计出的模型精确。量纲分析法以量纲齐次方程的数学理论为依据，量纲齐次原则：任何一个物理方程式中的各项必须具有相同的量纲。只有量纲相等的量才能相等，这种性质称为量纲齐次原则。该方法仅知与所研究问题相关的物理量便为问题的求解提供了可能性。当前模型设计方法主要运用在桥梁，大型建筑结构抗震研究中等，对于起重机等机械设备很少有利用模型代替原型进行试验，因此运用相似理论进行起重机械设备模型设计进行模型试验是很有必要的。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种基于相似理论的起重机试验模型设计方法，主要考虑起重机械设备在工作时的应力位移状态，根据相似理论和量纲分析法，设计出能够反映原型真实的应力位移特征的相似模型，可制作出此相似模型放在实验室内进行模型试验。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种基于相似理论的起重机试验模型设计方法，该方法包括如下步骤：

第一步：根据相似理论和量纲分析法，定义原型与模型各物理参数的相似比例关系；

第二步：根据试验目的实际情况综合考虑，设定原型与模型之间几何长度的相似比例；

第三步：选择制作模型的材料，推算出原型与模型的介质相似比例；

第四步：建立原型的有限元模型，确定原型的载荷下情况，计算出原型的应力，位移以及前两阶频率；

第五步：建立模型的有限元模型，确定原型与模型之间的比例关系，在该比例关系模型所受的载荷下，计算出模型的应力，位移以及前两阶频率；

第六步：比较第四步和第五步中分别计算得出的原型和模型的应力、位移和前两阶频率结果，是否满足以下相似比例关系；

应力相似比例：C_σ＝σ^p/σ_m＝C_E；