QTZ40塔式起重机的总体及塔身优化设计【有限元分析】【优秀毕业设计】【word+22张CAD图纸全套】

QTZ40塔式起重机的总体及塔身优化的有限元分析设计

QTZ40塔式起重机——塔身的优化设计

QTZ40塔式起重机的总体及塔身优化设计【有限元分析】【优秀毕业设计】【word+22张CAD图纸全套】

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任务书

QTZ40塔式起重机——塔身的优化设计

1、毕业设计（论文）目的：

本次毕业设计是对机械专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大学生在校所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼学生独立工作能力和创新精神的最佳手段。毕业设计要求每个学生在工作过程中，要独立思考，刻苦钻研，有所创新、解决相关技术问题。通过毕业设计，使学生掌握塔式起重机的总体设计、塔身的设计、整体稳定性计算等内容，为今后步入社会、走上工作岗位打下良好的基础。

2、毕业设计（论文）任务内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：

（1）设计任务：

①总体参数的选择（QTZ40级别）

②结构形式

（2）总体设计

①主要技术参数性能

②设计原则

③平衡重的计算

④塔机的风力计算

⑤整机倾翻稳定性的计算

（3）塔身的设计和计算

①塔身的形式及尺寸

②设计塔身的强度、稳定性及刚度验算  

③联接套焊缝强度的计算

④高强度螺栓强度的计算

⑤塔身腹肝的计算

（4）要求

①主要任务：学生应在指导教师指导下独立完成一项给定的设计任务，编写符合要求的设计说明书，并正确绘制机械与电气工程图纸，独立撰写一份毕业论文，并绘制有关图表。

②知识要求：学生在毕业设计工作中，应综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决工程问题。通过学习、钻研与实践，深化理论认识、扩展知识领域、延伸专业技能。

③能力培养要求：学生应学会依据技术课题任务，完成资料的调研、收集、加工与整理，正确使用工具书；培养学生掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范，提高工程设计计算、图纸绘制、编写技术文件的能力；培养学生掌握实验、测试等科学研究的基本方法；锻炼学生分析与解决工程实际问题的能力。

④综合素质要求：通过毕业设计，学生应掌握正确的设计思想；培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风；在工程设计中，应能树立正确的生产观、经济观与全局观。

⑤设计成果要求：

1）凡给定的设计内容，包括说明书、计算书、图纸等必须完整，不得有未完的部分，不应出现缺页、少图纸现象。

2）对设计的全部内容，包括设计计算、机械构造、工作原理、整机布置等，均有清晰的了解。对设计过程、计算步骤有明确的概念，能用图纸完整的表达机械结构与工艺要求，有比较熟练的认识图纸能力。对运输、安装、使用等亦有一般了解。

3）说明书、计算书内容要精练，表述要清楚，取材合理，取值合适，设计计算步骤正确，数学计算准确，各项说明要有依据，插图、表格及字迹均应工整、清楚、不得随意涂改。制图要符合机械机械制图标准，且清洁整齐。

4）对国内外塔式起重机情况有一般的了解，对各种塔式起重机有一定的分析、比较能力。

其他各项应符合本资料有关部分提出的要求。

3、毕业设计（论文）成果要求（包括图表、实物等硬件要求）：

①  计算说明书一份

  内容包括：设计任务要求的选型、设计计算内容、毕业实习报告等。作到内容完整，论证充分（包括经济性论证），字迹清楚，插图和表格正规（分别进行统一编号）、批准，字数要求不少于2万字；撰写中英文摘要；提倡学生应用计算机进行设计、计算与绘图。

  ②  图纸一套

不少于四张零号图纸量。

4、主要参考文献：

[1] 哈尔滨建筑工程学院主编.工程起重机.北京：中国建筑工业出版社

[2] 董刚、李建功主编.机械设计.机械工业出版社

[3] 机械设计手册.化学工业出版社（5册）

[4] GB/T9462—1999  塔式起重机技术条件

[5] GB/T13752—1992  塔式起重机设计规范

[6] GB5144—1994  塔式起重机安全规程

[7] 刘品主编《互换性与测量技术基础》（第2版）哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社　2001

[8] 徐灏主编《机械设计手册》（第2版）　北京：机械工业出版社　2000

[9] 曹双寅主编《工程结构设计原理》　南京：东南大学出版社　2002

[10]刘鸿文主编《材料力学 Ⅰ》（第4版） 高等教育出版社

[11]《QTZ50塔式起重机使用说明书》

[12]张青  张瑞军  编著《工程起重机结构与设计》北京：化学工业出版社，2008.7

[13]中华人民共和国国家标准GB/T　13752-92　《塔式起重机设计规范》　北京：中国标准出版社　1993

[14]范俊祥主编《塔式起重机》 中国建材工业出版社

[15]许镇宇、邱宣怀主编：《机械零件》 人民教育出版社

[16]刘佩衡主编《塔式起重机使用手册》  北京：机械工业出版社，2002

[17]中国建设部《钢结构设计规范》      2003.12

[18]黄靖远 龚剑霞 贾延林  《机械设计学》北京工业出版社，2002

[19]GB/T　75144-1994   《塔式起重机安全规程》　

[20]孙在鲁 著《塔式起重机应用技术》北京：中国建材工业出版社，2003.5

[21]邢静忠编著《ANSYS应用实例与分析》北京：科学出版社，2006

[22]张方瑞主编《ANSYS应用基础与实例教程》北京：电子工业出版社，2006.9

[23]陈精一编著《ANSYS工程分析实例教程》北京：中国铁道出版社，2007.5

5、本毕业设计（论文）课题工作进度计划：

起 迄 日 期工   作   内   容

2013.3.25-2013.3.28

2013.3.29-2013.4.13

2013.4.14-2013.4.20

2013.4.21-2013.5.15

2013.5.16-2013.6.5

2013.6.6-2013.6.19

2013.6.20-2013.6.21

熟悉整理资料

方案选择及总体设计

绘制总图

塔身设计

绘制塔身装配及结构图纸

绘制零件图纸

准备论文及答辩

摘要

本次设计在参照同类塔式起重机基础上，对QTZ40型塔式起重机进行总体设计及塔身分析设计。在塔身设计工程中，采用了有限元法对其进行分析计算，采用了ANSYS10.0软件进行分析。

按照整机主要性能参数，确定各机构类型及钢结构型式，主要确定了塔身的结构参数，并按照风载荷平行于起重臂方向，风载荷与起重臂方向呈45度角时两种工况分析。通过对塔身作适当的简化，应用ANSYS10.0软件建立塔身的有限元模型，施加各工况载荷，进行求解，进而可得各工况下各节点受力情况及各单元所受轴向力、轴向应力大小及各工况下塔身的变形挠度大小，并能演示塔身加载过程的动画，清晰的展现了各工况下塔身的受力性能。

本次设计分析通过修改模型参数共准备了三种不同方案，进而对不同模型方案进行分析比较。由比较不同模型在相同工况下的受力状况及刚度状况，综合分析强度和刚度条件，可得出受力最为合理的一组模型参数，通过对此组参数下模型进行强度及刚度校核，进而获得塔身的最终参数结果。

关键词：QTZ40型塔式起重机     塔身    有限元分析     ANSYS10.0

Abstract

Based on the design of the similar tower crane, this design is composed of the system design and the tower body design of the QTZ40 tower crane. In the tower body design progress, it has carried Finite Element Method on the analysis computation, and used ANSYS10.0 software.

According to the entire machine main performance parameters, various organizations type and the steel structure pattern have been determined. And then, the parameter analysis is carried on two different operating modes which are composed of the direction of the wind load is parallel to the lazy arm and the direction of the wind load is at a 45 degrees angle with the lazy arm. Through the reasonable simplification of the tower body, the tower body finite element model is established by applying ANSYS12.0 software, and then it’s exerted various operating modes loads, and carried on the solution. Then ANSYS10.0 software can calculate various nodes stress situation, the axial stress various units receive, and the tower body distortion size under various operating modes. Also it can demonstrate the animation in the loads-carrying process on the tower body, which has clearly displayed the stress performance of the tower body under various operating modes.

Through the revision of the model parameters, three different schemes have been prepared for the analysis comparison, which is carried on the different models. Because the stress condition and stiffness condition of different model are compared under the same operating mode, and a comprehensive analysis of the intensity and the stiffness condition is carried on, a most reasonable model parameter can be obtained. Through the intensity and the stiffness examination regarding this model, then the final parameter result of the tower body can be obtained.

Key words:  QTZ40 tower crane      Tower body     Finite element analysis    ANSYS10.0

目录

第1章 前言1  

1.1塔式起重机概述1

1.2塔式起重机的发展情况1

1.3塔式起重机的发展趋势3

第2章 总体设计5

2.1 概述 5

2.2 确定总体设计方案5

2.2.1 金属结构5

2.2.2 工作机构22

2.2.3 安全保护装置29

2.3 总体设计设计总则32

2.3.1 整机工作级别32

2.3.2 机构工作级别32

2.3.3主要技术性能参数 33

2.4 平衡重的计算33

2.5 起重特性曲线35

2.6 塔机风力计算36

2.6.1 工作工况Ⅰ37

2.6.2 工作工况Ⅱ41

2.6.3 非工作工况Ⅲ43

   2.7整机的抗倾翻稳定性45

       2.7.1工作工况Ⅰ46

       2.7.2工作工况Ⅱ47

       2.7.3非工作工况Ⅲ49

       2.7.4工作工况Ⅳ50

   2.8固定基础稳定性计算51

第3章 塔身的有限元分析设计53

3.1 塔身模型简化53

3.2 有限元分析计算54

   3.2.1 方案一54

   3.2.2 方案二79

   3.2.3 方案三98

第4章 塔身的受力分析计算121

4.1 稳定性校核121

4.2 塔身的刚度检算122

   4.3 塔身的强度校核124

4.4 链接套焊缝强度的计算125

4.5 塔身腹杆的计算126

4.6 高强度螺栓强度的计算127

第5章 毕业设计小结129

致谢130

主要参考文献131

第1章 前言

1.1 塔式起重机概述

塔式起重机是一种塔身竖立起重臂回转的起重机械。在工业与民用建筑施工中塔式起重机是完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备。在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高。由于塔式起重机能靠近建筑物，其幅度利用率可达全幅度的80%，普通履带式、轮胎式起重机幅度利用率不超过50%，而且随着建筑物高度的增加还会急剧地减小。因此，塔式起重机在高层工业和民用建筑施工的使用中一直处于领先地位。应用塔式起重机对于加快施工进度、缩短工期、降低工程造价起着重要的作用。同时，为了适应建筑物结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大，现在的塔式起重机必须具备下列特点：

1.起升高度和工作幅度较大，起重力矩大。

2.工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能。

3.要求装拆、运输方便迅速，以适应频繁转移工地的需

要。

QTZ40型自升式塔式起重机，其吊臂长40米，最大起重量4吨，额定起重力矩40吨米。是一种结构合理、性能比较优异的产品，比较目前国内外同规格同类型的塔机具有更多的优点，能满足高层建筑施工的需要，可用于建筑材料和构件的调运和安装，并能在市内狭窄地区和丘陵地带建筑施工。整机结构不算太大，可满足中小型施工的要求。

本机以基本高度（独立式）30米。用户需高层附着施工，只需提出另行订货要求，即可增加某些部件实现本机的最大设计高度100米，也就是附着高层施工可建高楼32层以上。

1.2 塔式起重机发展情况

塔式起重机是在二次世界大战后才真正获得发展的。战后各国面临着重建家园的艰巨任务，浩大的建筑工程量迫切需要大量性能良好的塔式起重机。欧洲率先成功，1923年成功制成第一台比较完整的塔式起重机，

在我国，塔式起重机的生产与应用已有40多年的历史，经历了一个从测绘仿制到自行设计制造的过程。

20世纪50年代，为满足国家经济建设的需要，中国引进了前苏联以及东欧一些国家的塔式起重机，并进行仿制。1954年仿制民主德国设计的样机，在抚顺试制成功了中国第一台TQ2-6型塔式起重机。随后又仿照前苏联样机，研制了15t与25t塔式起重机，这个时期中国生产与使用的塔式起重机的数量都较少。

20世纪60年代，由于高层、超高层建筑的发展，广泛使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机，并在工作机构中采用了比较先进的技术，如直流电机调速、可控硅调速、涡流制动器，在回转和运行机构中安装液力耦合器等。在此时期，中国开始进入了自行设计与制造塔式起重机的阶段。1961年，首先在北京试制成功了红旗-11型塔式起重机，它也是中国最早自行设计的塔式起重机。随后，中国又自行设计制造了TQ-6型等塔式起重机，至1965年全国已有生产厂10余家，生产塔式起重机360多台。这些塔式起重机都是下回转动臂式，可整体托运，能满足六层以下民用建筑施工的需要。

20世纪七十年代，塔式起重机服务对象更为广泛。塔式起重机的幅度、起重量和起升高度均有了显著提高。为了满足市场各方面的要求，塔式起重机又向一机多用方向发展。中国塔式起重机进入了技术提高、品种增多的新阶段。1972年中国第一台下回转的轻型轮胎式轨道两用起重机问世；同年为了北京饭店施工，中国又自行设计制造了QT-10型自升式塔式起重机，该机的起重力矩为1600kN·m。这一时期还先后开发了ZT100、ZT120、ZT280等小车变幅自升式塔式起重机、QT-20小车变幅内爬式塔式起重机，QTL16、TQ40、TQ45、TD25、QTG40、QTG60下回转动臂自行架设快装塔式起重机等，其年产量最高超过900台，标志着中国塔式起重机行业进入了一个新的阶段。

20世纪80年代，中国塔式起重机相继出现了不少新产品，主要有QTZ100、QTZ120等自升式塔式起重机，QT60、QTK60、QT25HK等下回转快装塔式起重机等。这些产品在性能方面已接近国外70年代水平，这一时期的最高年产量达1400台。与此同时，随着改革开放和国际技术交流的增多，为满足建筑施工的需要，也从国外引进了一些塔式起重机，其中有联邦德国的Liebherr、法国的Potain以及意大利的Edilmac等公司的产品。由于这些塔式起重机制造质量较好，技术性能比较先进，极大地促进了中国塔式起重机产品的设计与制造技术的进步。20世纪90年代以后，中国塔式起重机行业随着全国范围建筑任务的增加而进入了一个新的兴盛时期，年产量连年猛增，而且有部分产品出口到国外。全国塔式起重机的总拥有量也从20世纪50年代的几十台截至2000年约为6万台。至此，无论从生产规模、应用范围和塔式起重机总量等角度来衡量，中国均堪称塔式起重机大国。

1.3塔式起重机的发展趋势

根据国内外一些技术资料的介绍，塔式起重机的发展趋势具体归纳为以下几个方面。

1、吊臂长度加长

在20世纪60年代初，吊臂长度超过40m的较少，70年代吊臂长度已能做到70m。快速拆装下回转塔式起重机的吊臂长度可达到35m。自升式塔式起重机吊臂是可以接长的，标准臂长一般为30～40m，可以接长到50～60m。重型塔式起重机吊臂则更长。随着塔式起重机设计水平的提高，可以解决由臂长加大带来的一些技术问题，而低合金高强度钢材及铝合金的广泛采用也为加长吊臂提供了非常有利的条件。

2、工作速度提高，且能调速

由于调速技术的进步，混轮组倍率的可变、双速、三速电动机及直流电动机调速的应用，使塔式起重机工作速度在逐渐提高。20世纪50年代生产的塔式起重机工作速度较低，起升速度一般只有20～30m/min，回转速度为0.6～1r/min，变幅速度为30～40m/min，大车行走速度为10～40m/min，而近几年来塔式起重机工作速度已有提高。起升机构普遍做到具有3～4种工作速度，重物起升速度超过100m/min者已经很多，构件安装就位速度可在0～10m/min范围内进行选择，回转速度一般可在0～1r/min之间进行调节，小车牵引和塔式起重机行走大多也有2～3种工作速度，小车牵引速度最快可达60m/min。

3、改善操纵条件

随着塔式起重机向大型、大高度方向发展，操作人员的能见度越来越差。因此需要在吊臂端部或小车上安装电视摄像机，在操作室利用电视进行操作。有的还采用了双频道的无线电遥控系统，不仅可由地面的操作人员控制吊装，还可以根据事先编排的程序自动进行吊装。

4、更多地采用组装式结构

为了便于产品更新换代，简化设计制造、使用与管理，提高塔式起重机使用的经济效益，国外塔式起重机专业厂已做到产品系列化、部件模数化。以不同模数塔身、臂架标准节组合成变断面塔身和臂架，这不仅能提高塔身、臂架的力学性能，减轻塔式起重机自重，而且可明显减少使用单位塔架、臂架的储备量，为降低成本、简化管理创造了条件。

主要参考文献

【1】 董刚　李建功　潘风章主编　《机械设计》（第3版）　北京：机械工业出版社　1998

【2】 张质文，虞和谦等.起重机设计手册.北京：中国铁道出版社.1997.

【3】 《机械设计手册》（第1卷）（新版）机械设计手册编委会编著　

北京：机械工业出版社　2004.8

【4】 《机械设计手册》（第2卷）（新版）机械设计手册编委会编著　

北京：机械工业出版社　2004.8

【5】 成大先主编《机械设计手册》（第4版）北京：化学工业出版社　2002

【6】 顾迪民主编《工程起重机》（第2版）北京：中国建筑工业出版社　1988

【7】 刘品主编《互换性与测量技术基础》（第2版）哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社　2001

【8】 徐灏主编《机械设计手册》（第2版）　北京：机械工业出版社　2000

【9】 曹双寅主编《工程结构设计原理》　南京：东南大学出版社　2002

【10】刘鸿文主编《材料力学 Ⅰ》（第4版） 高等教育出版社

【11】《QTZ50塔式起重机使用说明书》

【12】张青  张瑞军  编著《工程起重机结构与设计》北京：化学工业出版社，2008.7

【13】中华人民共和国国家标准GB/T　13752-92　《塔式起重机设计规范》　北京：中国标准出版社　1993

【14】范俊祥主编《塔式起重机》 中国建材工业出版社

【15】许镇宇、邱宣怀主编：《机械零件》 人民教育出版社

【16】刘佩衡主编《塔式起重机使用手册》  北京：机械工业出版社，2002

【17】中国建设部《钢结构设计规范》      2003.12

【18】黄靖远 龚剑霞 贾延林  《机械设计学》北京工业出版社，2002

【19】GB/T　75144-1994   《塔式起重机安全规程》　

【20】孙在鲁 著《塔式起重机应用技术》北京：中国建材工业出版社，2003.5

【21】邢静忠编著《ANSYS应用实例与分析》北京：科学出版社，2006

【22】张方瑞主编《ANSYS应用基础与实例教程》北京：电子工业出版社，2006.9

【23】陈精一编著《ANSYS工程分析实例教程》北京：中国铁道出版社，2007.5