QTZ125塔式起重机设计毕业论文

第 I 页摘要塔式起重机具有工作效率高，回转半径大，起升度高的特点，在工业和建筑领域得到广泛应用，已经成为建筑行业的重要施工设备。目前产品向极大化发展，特别是大型结构件的优化设计，如何从优化和分析出发，建立系统模型，确定基本性能和结构参数，为后续设计提供科学依据，显得非常重要。本文以 QTZ125 水平变幅式塔式起重机的桁架结构为研究对象，研究在最大幅度工况下起重臂的优化。采用理论计算与有限元计算相结合的方法，精简设计变量，提高优化计算效率，同时充分考虑各约束条件、并选择适合该臂架结构优化的最佳优化算法，以保证结果最优。结果显示优化后的臂架重量有所减轻。本文利用 ANSYS 软件建立起重臂处于独立式塔机的模型，确定正常风载荷下满载工况，对其进行时间历程响应分析。在此基础上对独立式塔机臂架进行变幅工况的动态特性讨论，分析塔机臂架位移与应力的时间历程情况，得出该工况下的位移响应曲线具有一定的规律性。通过建立 QTZ125 水平臂架的有限元模型，优化设计和时间历程响应分析结果满足要求。这对优化臂架结构具有一定的价值，为起重机结构设计人员提供了有益的参考。关键词：塔式起重机，水平臂架，有限元模型，优化设计，时间历程响应分析第 II 页AbstractTower crane, with the characteristic of high efficiency, large radius and great lifting height, today, widely used in the field of industry and civil buildings, has become a major equipment in the construction industry. Therefore, to maximize product development, it is becoming increasingly important to design the large-scale structure, in particular large-scale structure. Meanwhile we should provide a scientific basis for the detailed design by starting from the optimization design, building accurately system model and determining the basic properties parameter.The trolley of QTZ125 tower crane is taken as the research object. The structure optimization method is researched in the largest amplitude working conditions, elevations and beams. In order to reduce the design variables and improve the calculation efficiency, mathematical calculation and the finite element method were combined to calculate the dangerous working condition for boom structure optimization. In order to ensure optimal results, the constraint and the optimal algorithm were taken account during the calculation. The result shows that the weight of boom had been reduced. This paper established independent tower cranes finite element model in a typical location and analyzed time history situation of displacement of the type cranes of full load with normal state of the wind load by ANSYS. The dynamic characteristics of independent tower crane were discussed when it was in amplitude condition. The time history situation of displacement and stress are also analyzed. The result showed the displacement time history situation was regular.By establishing the trolley of QTZ125 tower crane finite element model, the optimal and the time history situation results met the requirements. It will provide a useful reference for designers.Key Words: Tower crane, trolley, finite element model, optimal design, time history situation of displacement第 III 页目录1 绪论 .11.1 本课题提出的背景 .11.2 本课题的主要内容 .21.3 本课题的研究意义 .22 QTZ125 塔式起重机 .32.1 QTZ125 塔式起重机主要参数 .32.2 QTZ125 塔式起重机的优点 .32.3 主要技术性能表 .42.4 主要配套件性能表 .52.5 主要金属结构件简述表 .62.6 本章小结 .63 塔机臂架钢结构的优化设计 .73.1 分析问题 .73.2 建立模型 .73.2.1 节点编号及坐标位置（mm） .73.2.2 连接关键点成直线 .153.2.3 定义单元类型 .173.2.4 定义实常数 .183.2.5 定义材料特性 .193.2.6 定义截面特性 .223.2.7 划分网格 .233.2.8 定义约束 .293.3 优化设计概述 .313.3.1 优化设计介绍 .31第 IV 页3.3.2 优化中的基本概念 .313.3.3 优化设计的步骤 .323.4 优化方案概述 .343.4.1 设计变量 .353.4.2 状态变量 .353.5 载荷的计算 .363.5.1 自重载荷 .363.5.2 起升载荷 .363.5.3 风载荷 .373.5.4 水平惯性载荷 .403.6 臂架优化设计步骤 .463.6.1 施加载荷 .463.6.2 求解 .503.6.3 优化设置 .533.7 本章小结 .644 QTZ125 塔式起重机臂架的瞬态动力学分析 .654.1 瞬态动力学分析的基本理论 .654.2 工况的制定 .664.3 载荷的研究 .664.3.1 重力与风载荷 .664.3.2 变幅载荷 .664.4 载荷的施加 .674.5 QTZ125 塔式起重机臂架瞬态动力学振动特性分析 .674.5.1 建立优化后塔机臂架模型 .674.5.2 施加约束 .704.5.3 施加载荷 .70第 V 页4.5.4 求解 .724.5.5 输出结果 .734.6 QTZ125 塔式起重机瞬态动应力分析 .804.7 本章小结 .845 总结及展望 .855.1 总结 .855.2 展望 .85参考文献 .87附录 .89附录一 QTZ125 塔式起重机臂架优化设计命令流 .89附录二 QTZ125 塔式起重机臂架瞬态响应分析命令流 .89致谢 .90第 1 页1 绪论1.1 本课题提出的背景塔式起重机俗称塔机，也称为塔吊。作为一种搬运机械，塔机是民用与工业建筑施工中，实现预制构件及建筑材料、工具等吊装工作的主要设备。由于塔机能够接近建筑物，其幅度利用率可覆盖整体幅度的约 80%以上，远远高于其他类型的起重机械。所以塔式起重机在民用建筑与高层工业施工中的使用率始终保持领先地位。使用塔机能够提高施工效率、缩短施工时间、降低经济费用。同时，为了适应吊装部件的工厂化、预制装配化等新技术、新工艺应用的不断完善，新型的塔式起重机具备了起升高度高、起重力矩大、工作幅度大、装拆运输方便、工作效率高等优点。因为塔机在建筑工业中使用频繁，且工作强度大，所以塔机的优化设计以及使用的安全性显得尤为重要。起重机械钢结构为起重机械的支承体系，钢结构的重量通常占整台机械重量的 60%70%，有的机械如塔式起重机的钢结构占整机重量(除配重和基础)的 90%，结构设计不仅肩负着的安全的重任，而且其结构的优化，与产品的造型、性能及产品成本密切相关。目前关于塔机的传统优化设计方法研究甚少。本文以塔机双吊点水平起重臂作为研究对象，根据臂架的工作特点和性能要求，提出了型钢规格优化的结构优化设计策略，建立了臂架最轻的结构优化数学模型，计算表明优化后典型工况下臂架重量较优化前有较大的改善和减小。其设计变量为上下弦杆的壁厚或内圆半径，约束条件为弦杆和腹杆的计算应力以及拉杆的计算应力不能大于许用值。目前国内针对塔式起重机的分析计算中，传统静力计算方法依旧占主导地位。这种方法存在计算过程复杂、耗时长、计算结果精度差、可视化效果不理想等缺点。塔式起重机设计规范中对塔机的动态性能没有提出定量指标，塔机在工作时，频繁进行起吊、卸载、回转、变幅与制动等操作，这些操作均表现为动态过程。规范中针对起吊、卸载等冲击载荷，是将吊重载荷乘以一载荷系数模拟冲击，按照静力学方法计算塔机各项数据，该方法不能体现塔机在动态工况中应力与位移的时间历程相应情况。如在起吊与卸载工况中，由于塔机载荷状态的突然改变，塔机的瞬态应力将大于其受静态载荷时的情况，塔机将更容易发生破坏。又如在塔机变幅操作中，在起重臂上平移的吊重是一种位置变化载荷，而在小车制动时，吊重则作为一种方向的变化载荷，他们对塔机产生的动态影响也值得考虑。考虑到现在研究方法的不足，提出利用国际权威机构认定的有限元分析软件 ANSYS 对塔式起重机臂架进行结构静力学与动力学分析。ANSYS 是目前应用第 2 页最为广泛的一种有限元分析软件，具有结构、热能、流体等多种分析功能。塔式起重机属于大型钢结构件，与其他软件相比，ANSYS 针对钢结构具有较高的计算精度与速度，能够从根本上反应塔机在各种静动态工况中的应力与位移情况（鉴于篇幅限制，只考虑一种工况） ，分析结果可以缩短塔机设计周期，并对塔机实际工作中的安全使用提供指导建议。1.2 本课题的主要内容本课题以某塔机制造商生产的 QTZ125 型塔式起重机为研究对象，进行以下几个方面的工作。1、建立该塔机的臂架有限元模型运用 ANSYS 有限元分析软件，根据厂方提供的图纸和塔式起重机设计规范 ，建立塔机臂架有限元模型。2、对塔机臂架进行结构优化设计3、对塔机臂架进行静力学分析研究 QTZ125 塔机臂架所受的主要载荷，以某一危险工况为研究，绘制塔机臂架的结构应力与位移云图，并讨论分析结果，掌握塔机在静态载荷影响下的表现特征。4、对塔机臂架进行瞬态动力学分析利用 ANSYS 软件的瞬态动力学分析模块对塔机在变幅工况中的应力与位移时间响应情况进行分析，研究变幅工况下塔机的振动特点与瞬态应力。1.3 本课题的研究意义本文采用 ANSYS 建立了塔机臂架模型。对模型的简化较少，在最大程度上接近真实塔机臂架。根据塔机的技术性能和工作性能要求，提出了臂架结构优化的策略，以及典型工况下臂架及拉杆结构最轻的优化目标，建立了臂架的优化模型。优化后材料的力学性能得到充分利用，使臂架结构最轻，优化策略合理，在塔机的设计计算中具有较大的应用价值。在模型的基础上对塔式起重机进行有限元分析，对塔机在变幅工况载荷作用下的应力与位移数据图像化显示，可以明确结构的应力集中区域与位移情况。与传统的计算方法相比，有限元计算速度快，图像可视化性高，不仅可以减少计算工作量，提高计算精度，还能够全面地得到所有部件的应力状态，为塔机的设计和优化提供全面可靠的数据支持，对于缩短塔机设计周期和降低开发成本具有实际意义。 第 3 页2 QTZ125 塔式起重机2.1 QTZ125 塔式起重机主要参数塔机型号：QTZ125 (HX6014)公称起重力矩：1250KNm工作幅度：3.160m最大起重量/最大幅度处起重量：10/1.4t独立式起升高度：46.2(51.2)m附着式起升高度：161m起升速度：105/53/26 80/40/20m/min回转速度：00.8 r/min变幅速度：54/27/8.1塔身主肢：方管起重臂：上弦：圆钢 下弦：方管2.2 QTZ125 塔式起重机的优点QTZ125(HX6014)塔式起重机（以下简称塔机）各项性能技术指标在国内所有同级别产品中居领地位，优点如下：（1）起重臂最可达 60m，可以根据不同的需要组合成 60m 、56m 、50m 、45m 、40m 五种工作台幅度，杜绝了以往因障碍物挡碍不能变幅度的问题；（2）塔机独立式起升高度为 46.2m ，当施工对象较高时，塔机可采用液压顶升系统实现增加或减少塔身标准节，使塔机高度能随着建筑物的高度变化而升高或降低，以适应不同建筑物的施工需要，采用增加附着的工作方式，塔机最大起升高度可达 161m（若用户需要，经特殊处理，塔机独立高度可达51.2 最大附着高度可达 200m） ；（3）该塔机采用水平臂架，双起重小车变幅，吊重悬挂在起重小车上，靠小车在臂架上的水平移动实现变幅，钢丝绳变化倍率时可以采用一个起重小车，以减轻塔机自重，提高吊载量，与动臂塔机相比，该机工作台平稳，安装就位方便，幅度范围大，有利于起重性能的充分发挥，扩大了建筑材料构件的堆放范围，而且便于现场施工总平面图的设置，该机各种安全装置齐全，设有起升高度限制器、小车变幅度限制器、起重力矩限制器、起重量制器、塔机回转限制器等保护装置，各种限位装置反应灵敏、可靠，各机构均设有制动器，保证工作安全可靠，司机室独立侧置，视野好，内部空间隔大，给操作者创造了良好的工作环境，塔机的电气控制系统及所有配套件，均为容易购置且性能良好的电器元件，安全可靠，使用方便，维修简单。第 4 页2.3 主要技术性能表参 数名 称 单 位QTZ125公称起重力矩 KNm 1250最大起重量 t 8m 60 56 50 45 40不同臂长最大幅度处额定起重量t 1.4 2.05 2.6 3 3.5工作幅度 m 360独立式 m 46.2高度附着式 m 161倍率 a=2 a=4起升重量 t 4 2 8 4起升速度 M/min 53 105 26.5 52.5电动机型号 YZRD250M-4/8-37/37KW起升机构电机转速 r/min 1425/725电机型号 YTLEJ112L-9