毕业论文-起重机安全应力检测点设置方法研究.doc

本科毕业设计（论文）题目：起重机安全应力检测点设置方法研究 学 院 机械与汽车工程学院 专 业 过程装备与控制工程 学生姓名 学生学号 指导教师 提交日期 2013年 05月 30 日 2- 摘 要随着现代科学技术的飞速发展，自动化程度不断提高和工业生产规模不断扩大，起重机的应用越来越广泛，起到的作用也越来越大。目前，我国使用的维护起重机制度主要为“定期保养，事后维修”。而且故障检测与修复的设备和手段都较为落后。安全应力监测系统存在较大的缺陷，尤其是并没有一个统一的安全应力监测点设置方法。面对这一现状，若采用的经典力学计算，对于复杂结构的计算中采用的假设和简化太多，结果的准确性相对较差。得出来的安全应力监测点设置方法只能够适用于该起重机，无法做到通用。本文以塔式起重机和桥式起重机为主要研究对象，基于起重机动力学理论和有限元理论。以三维建模软件SolidWorks与有限元分析软件ANSYS为平台，实现了计算机对塔式起重机主梁和桥式起重机桥架的模态分析和瞬态动力学分析，得到的分析数据和结论对起重机安全应力监测点设置方法研究提供了有效的数据支持，论文主要内容包括：根据起重机动力学理论，建立出相关动力学模型，并对主梁（桥架）结构进行应力分析，探索出一种较为通用的起重机安全应力监测点设置方法。 总之，该论文研究对起重机应力分析和改进具有较高的参考价值。起重机桥主梁结构的应力分析，是将先进的设计、分析应用于起重机分析中，为设计经济、稳定可靠和高性能的起重机提供有力的工具和实现方法。关键词：起重机；有限单元法；ANSYS；安全应力；监测点Abstract As the rapidly development of modern science and technology, the continuous raising of the automation level and the enlargement of the industrial production. The crane is used wider and wider, as it become more and more useful. At present, the widest use of the maintenance system is regular maintenance and after-maintenance. And then the equipment and technology for failure detecting and repairing are primitive. The stress monitoring system have a critic defect, especially we dont have a consolidated stress monitoring system installing method. In the face of this situation, if we use the theory of classical mechanics, because of lots of assumption and simplification in calculating. We cant get an accuracy consequence. And then, we also cant get a consolidated stress monitoring system install method in this way.In this paper, choose the tower crane and bridge crane as the research object, base on the theory of crane dynamics and the theory of finite element. Using the programme SolidWorks and ANSYS, through the computer, builds the mathematical model of the tower crane and bridge crane. The result of the model in support of the stress monitoring system install method. The main component of this paper are: base on the theory of crane dynamics, build the mathematical model of the crane, analyze the stress of the crane, tracing the consolidated stress monitoring system install method.All in all ,this paper have a sense of reference to the crane stress analyze and melioration. Using ANSYS to analyze the stress of the crane, have a great sense of the modern design and analyze mothed. Do a great favor for the inexpensive reliable and efficient crane.Keyword: Crane; Finite Element Method; ANSYS; Stress; Monitoring目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 课题研究的背景与意义11.1.1课题研究的背景11.1.2 课题研究的意义11.2 国内外监测技术研究现状与发展动态21.2.1 国外监测技术研究现状与发展动态21.2.2 国内监测技术研究现状与发展动态31.3 起重机安全监测技术的发展趋势41.4 课题研究的主要内容51.4.1基本设计要求51.4.2课题主要工作6第二章 QTZ80塔式起重机ANSYS仿真与监测点位置确定72.1 QTZ80塔式起重机简介72.1.1 QTZ80塔式起重机实物介绍72.1.2 QTZ80塔式起重机详细参数72.2 QTZ80塔式起重机三维建模82.3 QTZ80塔式起重机起重臂有限元（ANSYS）建模102.3.1 ANSYS基本使用方法102.3.2 QTZ80塔式起重机吊臂建模102.3.3 主梁的有限元建模112.3.4 施加约束132.3.5 施加载荷132.3.6 吊臂各部分有限元模拟图142.4有限元仿真结果讨论212.5 本章小结22第三章 桥式起重机主梁ANSYS建模与监测点位置确定233.1桥式起重机简介233.2桥式起重机主梁的有限元模型的建立243.2.1 桥式起重机主梁实体模型的建立243.2.2桥式起重机主梁有限元模型的建立253.3 有限元仿真结果分析263.3.1 工况一仿真结果分析263.3.2工况二仿真结果分析283.3 有限元仿真结果讨论283.4 本章小结29第四章 BGK-FBG-4150光纤光栅表面焊接型应变计安装304.1概述304.2安装304.2.1初始检验304.2.2焊接方式安装应变计（需要佩戴护目镜）314.2.3应变计及光缆保护324.3读取数据324.3.1温度测量324.3.2初始读数324.4.数据说明334.4.1采用温度光栅做温度修正334.4.2采用其它测温方式做温度修正33结 论35参考文献36结束语3737- 第一章 绪 论1.1 课题研究的背景与意义1.1.1课题研究的背景 起重机械是一种作循环、间歇运动的机械。一个工作循环包括：取物装置由取物地把物品提起，然后水平移动至指定地点降下物品，接着进行反向运动，让取物装置返回原位，从而进行下一次循环。属于物料搬运机械。起重机的工作特点是间歇性运动，即在一个工作循环中取料、位移与卸载等动作的相应机构是交替工作的。 自2000年以来，我国起重运输机械制造业一直保持快速增长，产量位居世界前列。来自变频器世界的2011中国低压变频器市场研究报告显示，2010年我国起重机械行业中规模以上企业数量达4665家，工业总产值实现3498.90亿元，保持了年均20.32%的增长速度。 相比于国外起重运输机械制造业几百年的发展历史，我国起重运输机械制造业只是短短六十年的发展。但随着技术的引进、消化和吸收，我国的起重运输机械产品性能、可靠性与外观都有较大幅度的提高。面对国内外大型工程项目的启动，我国一部分起重运输机械制造企业已在临海、临港建成一批重型装备研制与出口基地，解决重型装备出口问题。我国起重机械已具有很好的性价比，很强的竞争能力。 但由于各种原因，我国起重机械事故率近几年一直居高不下，人员伤亡数字一直高居八大类特种设备之首。据有关统计，近几年来我国起重机意外事故(公开报道的)数量呈快速上升趋势，死亡人数也逐年增加。其中2005年死亡人数达234人，2006年为313人，2007年346人，死亡人数逐年增加且幅度较大，不能不引起我们的关注。 国内最近发生的较为严重的事故是2009年8月19日上海龙门吊倾覆事故，造成人员4死6伤；2009年4月24日台湾一架起重机由37楼高坠落砸中大陆旅游团游览车，造成3死5伤；2009年5月21日上海闵行区浦江镇江同路的建筑工地发生塔吊倒塌事故，吊臂直接砸中该工地的一栋民工宿舍楼，事故造成2死8伤。1.1.2 课题研究的意义 我国目前使用的维护起重机制度主要为“定期保养，事后维修”。而且故障检测与修复的设备和手段都较为落后。各方面的不足导致起重机整机工作可靠性差、安全隐患多、停机检修时间长等缺陷，严重影响了企业的正常生产和装卸工作效率。目前我国对于大型起重设备的结构应力检测仍沿用着传统的定期检测方式。这种检测方式是定期由检测人员携带大量检测设备与仪器到起重机械上进行检测。但是这种检测方式不仅工作繁琐而且检测人员有一定的危险，监测点的设置也会对起重机表面造成一定的损伤。检测人员测得检测数据后，通过后期的分析与处理才能对起重机的结构状况做出判断。使用这种检测方式，检测人员只会得到起重机特定时间的受力状况，却无法完全反映起重机日常工作时的受力情况，更无法在第一时间检测发现起重机的各种安全隐患。为了弥补传统检测方法不足，并满足人们实时掌握起重机械工作状态的需求，长期稳定的实时在线监测显得特别重要。研究资料表明，开展监测与诊断工作所取得的经济效益异常显著：日本通过采用诊断技术，事故率下降了75，维修费用降低2550；英国开展监测诊断工作的大型企业有两千多家，每年节省维修费用数亿英镑；在我国，如果将监测和诊断技术推广，每年可降低事故发生概率5075，节省的维修费用达1530。据专家分析，开展监测与诊断技术研究工作的投入产出比约为1：17，在保障安全生产的同时，既可以取得巨大的经济效益，还具有深远的社会意义。1.2 国内外监测技术研究现状与发展动态 起重机安全监控系统的监测核心主要是以起重力矩限制，早期的监测系统产品一般也仅仅具有力矩限制这一功能，故通常称为自动力矩限制器，简称力限器，而当前很多国内外的产品具有更大容量的信息集成度，既可称为起重机安全监控系统，也可沿用旧称依然称为自动力矩限制器。1.2.1 国外监测技术研究现状与发展动态 国际上起重机制造行业主要有神户、格鲁夫、加藤、多田野和德玛克等十数家制造商，其产品占据国际起重机市场的绝大部分份额。他们大多都根据自己的起重机产品研制有配套的力矩限制器。该制造商的产品，大体上反映了国外力限器技术发展的历程、现状和趋势。 日本加藤(KATO)公司的 LS248II履带起重机的力限器是七十年代末设计的产品，采用了大量的模拟电路对传感器信号进行处理计算，用模拟表显示。相对于机械式这是个很大的进步，但在一定程度上依然存在精度低、设计维护难度大、容易损坏等问题。直到八十年代后，随着微处理技术的飞速发展，力限器的设计水平到达了一个新台阶。如神户 MLS330A 型履带起重机的力矩限制器，采用软件来完成复杂的计算工作的方式，系统的集成度和综合精度都得到了极大的提高。而且通用性好，对于同系列的不同型号起重机，只需要改变软件的相应参数和传感器量程，力限器即可调换使用。拥有系统自检功能，当系统硬件或者工况设定出现问题，能及时报警并显示故障代码。通常采用数码管显示，手动电位器进行调节标定，拨码盘设定工况。 加藤（KATO）公司的LS248V 型起重机的力矩限制器作了更进一步的改进，具有零点记忆功能，即当显示载荷零点变动时可通过简单操作即可记忆零点数据，进行及时的调整。还可以方便地记忆某工况空载时不同幅度下的零点数据。经过内部单片机分析处理，减小了摩擦等误差因素对测量精确度的影响。内部电路采用开关电源技术，提高了抗干扰与防护能力。采用了新型高性能单片机与外围芯片，性能更稳定，功耗更低，系统集成度更高。 住友集团（SUMITOMO）的 65 吨履带式起重机所使用了90 年代初期的力矩限制器产品，技术性能有了更进一步的改进，通用性更强，通过简单改装便可以适用于塔式、轮式、履带式起重机，采用了液晶显示，人机界面有更进一步的优化，并且具有故障代码显示功能。美国Grove仪器公司的 DS359GW 型力限器的设计更是突出体现了人机界面的优化。采用点阵字符 LCD 显示器，显示信息量更大，强光下读数清晰，而且功耗更低。具有各种英文提示，当发生故障时，可显示故障内容及其处理方法。使用薄膜印刷面板，更美观且防水性能强大。通过薄膜按键进行工况参数的设定并进行一些辅助功能操作，操作更方便。1.2.2 国内监测技术研究现状与发展动态我国起重机技术和监测技术大体上是一个从无到有，从模仿改进到自主创新的过程。建国初期，我国从原苏联学习起重机技术，基本上是对照原苏联图纸的生产或进行少量改进的仿造。1959年，我国生产的3台275t铸造起重机，代表当时行业的最高水平。当时大部分大专院校和科研单位也只是简单地进行结合教学和相关设备诊断技术的研究课题，进行机械设备状态监测和故障诊断技术的研究。但是由于受到当时技术水平低下和传统冶金工艺的限制，改革开放之前约30多年的时间内，国内起重机械的发展进步缓慢，基本上只是对原苏联模式的小幅改进。直到20世纪80年代之后，国内各个起重机械生产厂家才开始进行积极的改进摸索。部分企业借鉴欧洲、美国和日本的先进技术与经验，对机械故障机理、诊断仪器和方法进行了深入研究，取得了较大成效。由于我国起重机械监测技术技术起步晚的历史条件的限制，缺乏足够的实践经验，这一时期的探索也不乏失败的案例，但从总体上来讲，仍然取得了巨大的成绩。可以说，我国开展起重机械监测技术起步于20世纪80年代，刚开始时，一般只是在引进国外大型起重机机组时同时购置相应的监测系统。价格异常昂贵，使用范围也不大。80年代以来，我国相关院校、研究院所和企业开始自助探索并自行研制起重机械监测技术。经过不懈努力，目前我国的一些特定设备在诊断研究方面具有一定的能力，发展至今也已逐渐形成规模。尤其是在电子器件的研发方面，使得目前国内电气型的超载保护装置产品技术水平打开了一个新的局面，但其主要性能与国外同类产品相比，依然有比较大的差距。现在，国内比较有影响力的有以下一些产品：中国航天机电集团公司第三十一研究所北京三发高科技实业总公司研发的 LX 系列力矩限制器。具有超载、过卷、角度限制等保护功能，同时具有声光报警与限制起重机向危险方向动作等多种功能，数字显示，操作简单。沙浦沅电子安全信息技术开发有限公司研发的 ACS 系列起重力矩限制器。采用了汉显技术，其所有的操作均用汉字菜单显示，使用操作性较强；采用能直观清晰地显示出起重机工作图形及工况参数的大型液晶图形点阵显示；具有自诊断功能，直接用汉字提示出故障现象与处理办法等；拥有“黑匣子”功能，能够自动记录起重机在作业过程中的危险工况，为事故分析处理提供可靠的依据；平均无故障时间超过10000 个小时。葛洲坝水电学院自行研制的的力矩限制器。但据用户反映操作很不方便，而且在改装额情况下经常不能达到规定的精度要求，同时存在故障率高的问题。北京市电脑技术应用研究所的 BQL 系列力矩限制器。这类力矩限制器完全仿照日本多田野公司的八十年代产品，能够显示臂杆长度、角度、工作半径、限重、实重、吊高等信息，并通过声、光报警，在超负荷时自动停止危险动作。而且工作地区温差可达 80C。但是技术上缺少创新，同时实践证明，质量很不稳定，返修率比较高。由以上案例可以发现，国内产品存在的最主要问题依然是可靠性问题，在解决可靠性前提下，还需提高整机性能并完善系统功能，而且还需进行自己的创新。1.3 起重机安全监测技术的发展趋势目前，起安全监测技术受到各行各业广泛重视。随着社会的发展，企业对起重机的质量要求会越来越高，而且对安全性的要求也会越来越高。各企业之间的竞争也会越来越激烈，这必将促进安全监测技术的进一步发展与应用。未来起重机械安全监测技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：1整体系统高度集成的信息化系统随着计算机技术、自控技术、传感器技术的发展，为了提高起重机工作效率与保证施工安全的要求，起重机安全监控系统将具有更强的信息采集和数据处理能力，以大大降低作业者的劳动强度，保障人身、设备安全。所谓的一体化起重机监测控制系统就是指将运行控制系统、安全监控系统和自诊断系统等功能集为一体，统一控制起重机械并监视起重机的运行状态，其基本结构将是一种集中分布式的结构，以高性能的计算机系统做中央控制元件，起到履行状态、故障信息的集中显示与存储并且监视各个智能监测控制元件的工作，而大量的智能监测起到控制元件则监控起重机的某一部分的作用，并将获得的某些重要信息传送到中央控制元件，其中这些智能控制元件可以由单片机、PLC、DSP处理器 等组成，所以这种总体解决方案既能够提高系统性也能降低系统的设计成本。尤其对于大型起重机系统，由于其设备昂贵、结构复杂，对于监测控制系统要求更高。2.硬件采用更高性能微处理器与发展新工艺集成电路芯片，加强产品的集成度，减少功耗，提高系统可靠性，都可以有效降低开发难度并缩短开发周期；采用优质元器件，保证产品质量，可以有效增加产品使用寿命，降低对使用环境的要求，减少产品故障率；使用开关电源技术等先进的电源技术，可以对输入输出电源隔离，提高输出电源稳定性，防止电网的电压波动导致系统损坏。提高系统的抗干扰能力，增强系统可靠性；对输入输出信号采用光电隔离措施，并防止外界强电信号窜入系统导致系统重要元器件毁坏，通过对传感器输出信号使用隔离放大器与仪表放大器隔离并抑制干扰信号；选用合理的地线布局并对印刷电路板合理地布线防止相互间干扰；可采用专用芯片使系统重要元器件免受雷电引起的剧烈脉冲损害；对于远距离传送信号采取 V/F或V/I 等变换等措施,减小信号失真提高其抗干扰能力。3. 软件安全监测系统的软件将会具有一定的柔性，通过简单的参数设置就可使同一软件系统应用于不同起重机械。在线标定功能即是利用存储装置存储传感器的零点位置与满偏倍率，传感器的调整也将因此而变得相当简单。4.监测点设置安全监测的基础是监测点的设置，监测点选取决定了整个安全监测系统的有效性。因此，越来越多的厂商均对安全监测点设置方法进行深入研究，以便获得更加及时准确有效的应力信息，或是减少总的监测点数，从而使得监测系统的有效性增强并且降低成本。1.4 课题研究的主要内容1.4.1基本设计要求由于起重机生产周期长、占用资源多、生产成本高等因素限制，无法进行大量的试验，因此本文依托于工程实际主流起重机，根据各式起重机设计书进行分析其受力以及材料得出其危险面与点，并针对一部分型号起重机采用现代设计方法中的有限元法及现代优化方法，在有限元分析软件ANSYS中建立合理的有限元模型，对其进行分析得出其危险面与点，并结合材料所能承受应力及其安全系数，得出设置监测点位置的通用方法。1.4.2课题主要工作1）对塔式起重机以及桥式起重机根据起重机图纸或设计书，进行SolidWorks建模并对起重机进行力学分析及计算得出危险面。2）基于ANSYS进行模拟与有限元分析。3）根据起重机材料安全应力进行校核并得出其最大应力。4）设置安全应力监测点，并研究通用的起重机安全应力监测点设置方法。 第二章 QTZ80塔式起重机ANSYS仿真与监测点位置确定2.1 QTZ80塔式起重机简介2.1.1 QTZ80塔式起重机实物介绍 本章所使用的QTZ80塔式起重机，是由归属于中国建筑科学技术研究院旗下的建筑机械化研究分院所设计、由山东昶升机械公司投入制造的起重机，该塔机为上回转、小车变幅、水平臂架、液压自升式多用途塔机。广泛应用于建筑施工企业的各种工地。具有起升、回转、顶升与变幅四种工作机构，可单独与复合动作，能获得较高的工作效率。图2-1 QTZ80 塔式起重机实物图2.1.2 QTZ80塔式起重机详细参数表2-1 QTZ80塔式起重机技术性能表额定起重力矩 kNm)880最大起重量 (t)8工作幅度 (m)355起升高度 (m)独立式46.2附着式151.2起升速度(m/min)二倍率86/44四倍率43/22回转速度 (r/min)0.62变幅速度 (m/min)43.3/21.9顶升速度 (m/min)0.4最低稳定下降速度 (m/min)7整机外型尺寸底架 (m) 88整机高度 (m)独立式55.892附着式160.892 吊臂端头至回转中心距离 (m)56.172.2 QTZ80塔式起重机三维建模 进入SolidWorks建模页面,选择一个绘图平面，根据图2-2 QTZ80塔式起重机所给标准节参数与实物图片，进行臂节建模图2-2 QTZ80塔式起重机起重臂标准节实物 a) b)c) d)图2-3 起重臂标准节SolidWorks建模图 图2-4 起重臂装配图2.3 QTZ80塔式起重机起重臂有限元（ANSYS）建模2.3.1 ANSYS基本使用方法 有限元分析是指对几何及载荷工况等物理现象的模拟，以求得真实情况的数值近似值为目的的一种分析方法。通过对指定的分析对象划分适当网格，求解得出有限个数值从而来逼近得到所模拟真实环境的无限个未知量是有限元分析法的最常规方法。 正常的ANSYS仿真流程包含：创建有限元模型并划分网格、施加载荷并求解、后处理过程共三个主要步骤。图2-5 ANSYS分析流程图2.3.2 QTZ80塔式起重机吊臂建模由于回转支承等各种实体部件相对于塔机整体结构而言，尺寸小，然而而刚度极大、质量非常集中，当对塔机结构进行整体分析的时候，可以认为回转支承结构等实体部件采用梁单元进行等效，从而使得塔机的整体分析中仅仅包含梁单元，从而解决了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题。另外，正常塔试起重机都具有几百甚至于几千根杆件，仅仅输入数据的文件已经非常大，若再同时分析回转机构的板壳结构，这将会大大增大数据文件，乃至超出计算机工作能力。在做完整体分析之后，采用板壳单元单独分析回转机构，将整体分析中所得到的等效单元的节点力作为外载荷。根据设计规范的规定，对普通的中小型塔机的分析并不必考虑非线性因素，因为塔机必须在材料弹性范围内工作，所以本章仅需考虑线性分析。ANSYS软件中提供了多种梁、杆单元，在塔机的分析中我们以梁单元为主，杆单元用的较少，并且可用梁单元代替。塔机是一种空间结构，ANSYS软件提供的常用弹性三维梁单元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189，它们都有各自的特点，能满足不同的分析要求，常用梁单元主要性质见下表表 2-2 梁单元特性单元名称节点自由度数阶次是否考虑剪切变形是否支持截面定义是否支持变截面BEAM46线性否是否BEAM246线性否是否BEAM446线性否是是BEAM1886或7线性是是否BEAM1896或7二次是是否许多较短的杆件存在于塔机结构中，吊臂接头、塔身接头都属于使用普通梁单元建模会带来较大的误差深梁，所以塔机分析软件应使用BEAM189单元（二次梁单元）或BEAM188单元（线性梁单元），BEAM189和BEAM188单元均以铁木辛柯（Timoshenko）梁理论为基础，考虑了剪切变形的影响，其形函数中截面转动和挠度各自独立插值，通常采用后者，即BEAM188单元即可。BEAM188单元支持截面定义功能，我们应当通过使用截面定义命令（SECTYPE、SECDATA）方便地定义截面形状，在图形用户界面下绘制已定义的截面图形(SECPLOT)，以检查截面定义的正确性。因为BEAM188单元具有塔机分析所要求的功能，因此，在塔机分析中使用BEAM188单元即可得到满意的结果。2.3.3 主梁的有限元建模1）定义单元类型GUI:Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete 单元类型选择Beam mode 1882)定义材料属性GUI:Main MenuPreprocessorMaterial props Material models StructurallinearElasticIsotropic弹性模量EX：2.06e11Pa;泊松比PRXY：0. 3；密度DENS：；3)创建模型第一步，确定主梁各个节点的空间位置，然后在有限元中创立关键点，具体做法如下GUI:Main MenuPreprocessormodelingCreateKeypoints 创建完后的起重臂的关键点,创建完点后，主梁由几种不同的材料焊接而成，连接关键点前先设置材料的截面形式，步骤如下：GUI:Main MenuPreprocessorSectionsBeamCommon Sections定义材料的截面，方钢型号分别为：10910910、97978、87878圆钢型号分别为：604、504、454、363条钢型号为：50505圆柱钢型号为：60然后用线将各点按照主梁各杆件的连接方法依次按照其截面形式连接（图2-4）GUI:Main MenuPreprocessormodelinglines然后要对模型进行网格的划分。GUI:Main MenuPreprocessorMeshingMeshtool图 2-6 划分网格完成图2.3.4 施加约束图 2-7 施加约束2.3.5 施加载荷1）施加风载荷计算风载荷公式 (2-1)式中:-作用在塔式起重机上和物品时上的风载荷（,），N；-风力系数；-计算风压，=250pa;A-提示起重机或物品垂直于风向的迎峰面积，； (2-2)-前片结构的迎风面积（）,;-后片结构的迎风面积（）,；-两片相邻桁架的前片对后片的挡风折减系数。作用在塔机上的风载荷为：起吊物品的风载荷为： 作用在塔机上的风载荷为：2）施加额定起重重量分别施加各个截面处的额定起重重量2.3.6 吊臂各部分有限元模拟图1）吊臂根部截面变形、应力图2-8吊臂根部截面变形图 2-9吊臂根部截面应力风载荷作用下的变形、应力图 2-10风载荷作用下的变形图 2-10风载荷作用下的应力2） 吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面图 2-11吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面变形图 2-12吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面应力3） 第一个吊点截面图 2-13第一个吊点截面变形图 2-14 第一个吊点截面应力4） 第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面图 2-15第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面变形图 2-16 第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面应力5）第二个吊点截面图 2-17 第二个吊点截面变形 图 2-18 第二个吊点截面应力 6）最大幅度截面图 2-19最大幅度截面变形图 2-20 最大幅度截面应力2.4有限元仿真结果讨论将上述结果总结列表如下：表 2-3 各截面工况应力位移工况位置应力位移工况一吊臂根部截面63.2MPa8.7mm风载荷作用下93.2 MPa604mm工况二吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面104MPa18.67mm工况三第一个吊点截面63.2MPa20.196mm工况四第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面104MPa83.427mm工况五第二个吊点截面44.5MPa128.711mm工况六最大幅度截面44.5MPa170.471mm最大应力两个跨中截面104MPa最大静刚度最大幅度截面170.471mm 1）综合之前的ANSYS结果图以及上表可以得出结论，在各种工况下，在工况二（图2-12）的吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面位置以及工况四（图2-16）第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面位置出现了最大应力，在工况六（图2-20）时拥有最大的挠度。 2) 根据起重机设计规范GB3811-83，讨论金属结构材料采用Q235钢，其屈服极限为，载荷组合结构强度许用应力为：故当安全应力检测点设置应当设置其危险应力为175MPa。 3)按照起重机设计规范GB3811-83，起重机主梁跨中垂直静挠度许用值满足要求。而根据文献起重机机械设计制造新工艺与质量验收标准，起重机的水平刚度规定，起重机跨中在水平方向引起的变形应力不大于s/2000，这里均符合要求。故对于工况六，仅需要设置一个位移监测点进行监测。2.5 本章小结 通过对QTZ80塔式起重机吊臂的SolidWorks建模以及有限元分析，得出了该塔机的危险面为吊臂根部到第一个吊点之间的跨中截面与第一个吊点到第二个吊点之间的跨中截面。所以设置安全检测点的时候，应当在这两个截面中分别设置预警值值为175MPa的检测点。而对于其他型号的塔式起重机，根据工程力学以及材料力学的相关知识，再结合ANSYS仿真结果，容易得出，塔式起重机吊臂梁的跨中一般是危险面，在设置安全应力检测点的时候，只需要考虑风载荷以及地震载荷等特殊情况下所导致的危险面偏移。第三章 桥式起重机主梁ANSYS建模与监测点位置确定3.1桥式起重机简介 桥式起重机又称天车，是指桥架于高架轨道上运行的一种桥架型起重机。桥式起重机的桥架构成一个矩形的工作范围,靠的是沿轨道横向运行的起重小车和沿铺设于两侧高架上的轨道纵向运行的轨道。矩形工作范围的好处是不会受到地面设备的阻碍，从而使得桥架下面的空间能够得到充分的利用于吊运物料。 桥式起重机广泛地应用于室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等场所。桥式起重机可分为简易粱桥式起重机、冶金专用桥式起重机和三种普通桥式起重机。 由桥架运行机构、起重小车、桥架金属结构组成的普通桥式起重机。起重小车又由小车运行机构、小车架和起升机构三部分组成。 起升机构包括制动器、电动机、卷筒、滑轮组和减速器。安装和支托小车运行机构和起升机构等部件的机架称为小车架，通常是焊接结构。通过减速器，电动机能带动卷筒转动，使钢丝绳从卷筒放下或绕上卷筒，从而升降重物。 起重机运行机构的驱动方式可分为分别驱动和集中驱动两大类：一类为两边的主动车轮各用一台电动机驱动的分别驱动；另一类为用一台电动机带动长传动轴驱动两边的主动车轮的集中驱动，。中、小型桥式起重机较多采用“三合一”驱动方式，即电动机、减速器和制动器组合成一体，为了便于安装和调整大型普通桥式起重机驱动装置常采用万向联轴器。 起重机运行机构的车轮超过四个的时候，必须采用铰接均衡车架装置，所以除非起重量很大，一般使用四个主动和从动车轮。当起重量很大的时候增加车轮的办法来降低轮压。使起重机的载荷均匀地分布在各车轮上。 桥架的金属结构由主粱和端粱组成，分为单主粱桥架和双粱桥架两类。单主粱桥架由单根主粱和位于跨度两边的端粱组成，双粱桥架由两根主粱和端粱组成。桥式起重机中最主要的部件就是主梁，它承受着起吊重物、小车自重、机械、电气设备的质量和主梁本身的自重等垂直方向的载荷和当小车或起重机制动和起动时产生的惯性力引起的水平方向的载荷。所以它应该有足够的垂直和水平方向的刚度、稳定性和强度，并有足够的疲劳强度和良好的抗疲劳性能。主梁的高度根据起重量和跨度决定。本章，以SolidWorks软件并采用ANSYS有限元软件为平台，对株洲天桥起重机股份有限公司开发和制造的200t桥式起重机主要承载结构件进行进行有限元分析。从而得出其危险面以及进行安全检测点的设置方法研究。3.2桥式起重机主梁的有限元模型的建立3.2.1 桥式起重机主梁实体模型的建立考虑到此零部件多，主梁结构异常复杂，计算量很大，因此在建模过程中进行了一定的简化处理，简化和略去了一些对计算结果影响不大的零件，如：倒角、螺栓孔等。本文采用三维软件SolidWorks软件将各零件的有限元模型建立起来，采用ParaSolid文件实体导入ANSYS，做分析计算、前处理和后处理等一系列工作，再加上边界约束条件，建立实体的有限元模型。主梁的三维实体模型如图3-1所示，图3-2为主梁三维实体部分剖面图。 主梁的主要技术参数有，总跨度为22m，主腹板为12mm，上下盖板为16mm，副腹板为10mm，端部梁高1050mm，主梁宽度为1800mm，中部梁高均为2200mm。图3-1主梁三维实体模型图图3-2 主梁三维实体局部剖面图3.2.2桥式起重机主梁有限元模型的建立1) 定义材料属性实体建模完成后，使用ANSYS有限元软件导入模型。在计算时认为焊接牢固，各焊接件本身无缺陷，焊接后残余应力较小，无漏焊、松脱、虚焊等现象，不足以影响分析结果。分析类型应当选择线性，定义静态分析的总体平衡方程为线性方程，因此采用自由网格进行离散化，并且网格类型则采用实体网格solid45。各部件的材料均为Q345B钢，故输入该材料的参数，弹性模量EX=2.061011N/m2泊松比NUXY=0.28密度DENS=7850Kg/m3屈服强度SIGYLD=325MPa根据起重机设计规范可知Q345的许用应力为230 MPa。2) 工况、约束和载荷主梁为偏轨梁，由于仅分析主梁的强度及下挠刚度的问题，因此主梁本身的重力和只考虑小车架的轮压的载荷作用，调整重力加速度来使实际重量和模型主梁的重量等效，由于主梁和轨道上盖板是装配关系，其间存在摩擦移动和间隙，将小车轮压载荷直接施加在主梁的小盖板对应位置上会使问题分析更准确，主要分析其两种特殊工况：工况一，由于主梁为偏轨梁，因此在部分端梁处施加端梁轴线的约束，使其不能沿端梁轴线移动，模拟出端梁对其的支撑作用。当小车在主梁的极限位置时，小车的轮压分别为396.6KN和 367.9KN；考虑大车运行动载系数取，自重考虑栏杆、司机室、电气室、轨道、动载系数及省略的一些小特征的质量等，因此得出重力加速度为12.1N/m2。约束施加的制约两端为支撑，其作用端可以沿主梁方向移和动自由转动，但不能沿端梁轴线和上下移动。工况二，当小车在主梁跨中的位置，其他和工况一相同。3) 网格控制采用网格尺寸为0.08m，并对应力最大的位置进行网格细化，离散后，单元总数为383780；有限元模型主梁的网格如图3-3所示。图3-3主梁的网格图 3.3 有限元仿真结果分析3.3.1 工况一仿真结果分析主梁模拟完成，并且施加载荷并且添加约束，可以输出各点的应力、位移值等图解结果。模拟中均采用国标单位制（SI）。其中输出应力是按照第四强度理论计算得出的第四相当应力,为Von Mises应力(即等效应力)，图3-4是主梁整体合应力云谱图。 工况一结论分析，主梁端部剪应力58.8MPa左右，端部受力偏大的是由端部施加约束和载荷造成的，但这在允许的范围之内，因此此研究分析是可靠的。通过整体分析，根据起重机设计规范（GB/T3811-2008）,强度安全系数取n=1.48，主梁使用的材料Q345的屈服强度的345MPa，材料的基本许用应力而主梁最大的应力为211MPa，故能够满足我们的使用强度要求。最大应力出现的位置是在小车位移极限位置处，集中在极限轮压下方的腹板处；因此刚度要求相对较低，合位移仅有5.2mm。图3-4主梁整体合应力云谱图工况一结论分析，主梁端部剪应力58.8MPa左右，端部受力偏大的是由端部施加约束和载荷造成的，但这在允许的范围之内，因此此研究分析是可靠的。通过整体分析，根据起重机设计规范（GB/T3811-2008）,强度安全系数取n=1.48，主梁使用的材料Q345的屈服强度的345MPa，材料的基本许用应力图3-4主梁整体合应力云谱图工况一结论分析，主梁端部剪应力58.8MPa左右，端部受力偏大的是由端部施加约束和载荷造成的，但这在允许的范围之内，因此此研究分析是可靠的。通过整体分析，根据起重机设计规范（GB/T3811-2008）,强度安全系数取n=1.48，主梁使用的材料Q345的屈服强度的345MPa，材料的基本许用应力而主梁最大的应力为211MPa，故能够满足我们的使用强度要求。最大应力出现的位置是在小车位移极限位置处，集中在极限轮压下方的腹板处；因此刚度要求相对较低，合位移仅有5.2mm。3.3.2工况二仿真结果分析根据以上两种工况的分析，可以得到以下结论：1）在工况一（图3-4）时最大应力出现在极限轮压下方的腹板处，而在工况二（图3-5）中最大应力出现在跨中以及端部隔板处，其数值分别为211MPa与219MPa，且同为加载部分。2）在工况一与工况二最大应力出现位置的共通之处在于，均为均为小车所处位置的端部隔板处，这是桥式起重机的特殊之处。3）根据起重机设计规范GB/T3811-2008,强度安全系数取n=1.48讨论金属结构材料采用Q345钢，其屈服极限为，结构强度许用应力为：根据以上两种工况的分析，可以得到以下结论：1）在工况一（图3-4）时最大应力出现在极限轮压下方的腹板处，而在工况二（图3-5）中最大应力出现在跨中以及端部隔板处，其数值分别为211MPa与219MPa，且同为加载部分。2）在工况一与工况二最大应力出现位置的共通之处在于，均为均为小车所处位置的端部隔板处，这是桥式起重机的特殊之处。3）根据起重机设计规范GB/T3811-2008,强度安全系数取n=1.48讨论金属结构材料采用Q345钢，其屈服极限为，结构强度许用应力为：图3-5主梁整体应力云谱图计算结果中均采用国标单位制（SI）。其中输出应力为Von Mises应力，该应力是按第四强度理论计算的第四相当应力，图3-5是主梁整体应力云谱图。结论分析，工况二最大应力为219MPa，位于端部隔板处，由于此处为加载部分，根据有限元分析理论，此处实际所受应力应该小于计算应力。主梁的合位移为13mm，主梁的跨度为22m，因此小于起重机设计规范（GB/T3811-2008）所要求的f/1000。主梁水平侧翻挠度为3.2mm，小于f/2000=11mm。 3.3 有限元仿真结果讨论根据以上两种工况的分析，可以得到以下结论：1）在工况一（图3-4）时最大应力出现在极限轮压下方的腹板处，而在工况二（图3-5）中最大应力出现在跨中以及端部隔板处，其数值分别为211MPa与219MPa，且同为加载部分。2）在工况一与工况二最大应力出现位置的共通之处在于，均为均为小车所处位置的端部隔板处，这是桥式起重机的特殊之处。 3）根据起重机设计规范GB/T3811-2008,强度安全系数取n=1.48讨论金属结构材料采用Q345钢，其屈服极限为，结构强度许用应力为：故安全应力检测点设置应当设置其危险应力为233MPa，并设置其报警值为230MPa。3.4 本章小结本章通过对200t桥式起重机的SolidWorks建模以及并设定两种特殊工况进行ANSYS仿真。通过加载载荷以及添加限制，得到桥式起重机主梁的应力云谱图。得到其危险面有：1.极限轮压下方的腹板处；2.跨中下方隔板处及端部隔板处。而对于其他工况而言，危险面则位于跨中。故对于该桥式起重机的安全监测点的设置位置，有小车的前后轮轴上、跨中下方隔板处、左右端部的隔板处等5个位置。设置监测应力最大值为233MPa，报警值为2