（机械设计及理论专业论文）30t42m门型起重机力学分析及结构参数优化.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 龙门起重机是国内外露天物料搬运广泛采用的大型装卸机械， 它广泛用于工矿、交通运输和工程建设等部门。随着国民经济和物 流事业的飞速发展，特别是大型物流场地的建设，大部分原有的门 式起重机面临更新换代的局面。 论文阐述了起重机的类型、用途和主要性能他以及发展趋势， 并概述了起重机的设计方法。作者以株洲某公司的龙门起重机增跨 改造项目为研究课题，从施工角度、成本角度提出增跨改造的原则 及方案；以大型有限元软件a n s y s 为工具，建立了起重机的有限 元模型，通过载荷步模拟起重机小车沿起重机主梁方向运动时的移 动载荷，分析并计算改造后的起重机主梁、支腿部分的强度和挠度； 从主梁应力分布情况以及最大主应力量值，探究了改造后的起重机 主梁结构优化的可能性，利用a n s y s 结构优化模块对主梁构件的 结构参数进行了a p d l 优化编程与计算，获取了主梁最佳结构参数， 优化前后的强度和挠度对比表明优化后的强度和挠度有了明显的提 高，并有效的减轻了重量，其应力分布趋向更加合理；建立了门型 起重机模态分析模型，计算表明满载时的一阶自振频率，满足起重 机的行业设计规范，并对起重机的抗倾覆性能进行了分析，表明该 门型起重对作业人员具有较好的耐劳度和舒适感。 综合上述工作，论文运用现代设计、分析手段，提出了门型起 重机的改造方案，并从安全性、使用性能以及操作人员的舒适性等 角度出发，通过强度和挠度计算分析、结构参数优化、模态分析计 算以及抗倾覆性能分析，验证了方案的合理性，这些工作对门型起 重机系列的设计、改造有着重要的意义，并对相似结构的机械设备 设计也能起到一定的借鉴作用。 关键词：起重机，强度，挠度，有限元法，结构优化 中南大学硕士论文 a b s t r a c t n e g a n t r yc r a n ei st h el a r g e - s c a l el o a d i n ga n du n l o a d i n gm a c h i n - c r yw h i c ht h ed o m e s t i ca n df o r e i g no p e n - a i rm a t e r i a l st r a n s p o r t i n gw i d e l yu s e s ，i tw i d e l yu s e si nd e p a r t m e n ta n ds oo ni n d u s t r ya n dm i n i n g ， t r a n s p o r t a t i o na n de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n f l o wt h ee n t e r p r i s ea l o n g w i t ht h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h e l i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n t ，s p e c i a l - l yl a r g e - s c a l ef l o wf i e l dp l a c ec o n s t r u c t i o n , m a j o r i t yo fo r i g i n a lg a t e s t y p eh o i s tc l a n ef a c e dw i t hr e n e w a la s p e c t t h ep a p e re l a b o r a t e dt h eh o i s tc r a n et y p e t h eu s ea n dt h em a i n p e r f o r m a n c eh ea sw e l la st h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c y , a n dh a so u t l i n e d t h eh o i s tc r a n e d e s i g n m e t h o d 1 1 1 ca u t h o ri n c r e a s e st h ec i o s s t r a i l s f o r m a t i o np r o j e c tt a k et h eaz h u z h o uc o m p a n y sg a n t r yc r a n ea st h e r e s e a r c ht o p i c ，f r o mt h ec o n s t m c t i o na n g l e ，t h ec o s ta n g l ep r o p o s e d i n c r e a s e st h ec r o s st r a n s f o r m a t i o nt h ep r i n c i p l ea n dt h ep l a n ；t a k e l a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s a st h et 0 0 1 h a se s t a b l i s h e d t h eh o i s tc r a n ef i n i t ee l e m e n tm e d e lt h r o u g h1 0 a ds t e po fs i m u l a t i o n h o i s tc r a n ec a ra l o n gh o i s tc r a n ek i n gp o s td i r e c t i o nm o v e m e n tt i m e m o t i o n1 0 a d ，a r e ra n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o nt r a n s f o r m a t i o nh o i s tc r a n e k i n gp o s t ，l e gp a r t i a li n t e n s i t i e sa n dd e f l e c t i o n ；f r o mt h ek i n gp e s ts t r e s s d i s t r i b u t i o ns i t u a t i o na sw e l la st h em a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s ss i z e ，a f t e r i n q u i r e di n t ot h et r a n s f o r m a t i o nh o i s tc r a n ek i n gp o s ts t r u c t u r eo p t i m i z e s t h ep o s s i b i l i t y , c a r r i e do nt h ea p d lo p t i m i z a t i o nu s i n gt h ea n s y s s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n m o d u l et ot h ek i n g p o s tc o m p o n e n td e s i g n p a r a m e t e rt op r o g r a ma n dt oc a l c u l a t e , g a i n e dt h ek i n gp o s tb e s td e s i g n p a r a m e t e r , a f t e ra r o u n dt h eo p t i m i z e di n t e n s i t ya n dd e f l e c t i o nt h e c o n t r a s ti n d i c a t e do p t i m i z e dt h ei n t e n s i t ya n dd e f l e c t i o nh a dt h ed i s t i n c t e n h a n c e m e n t ，a n de f f e c t i v er e d u c e dt h ew e i g h t ，i t ss t r e s sd i s t r i b u t i o n t r e n dw a sm o r er e a s o n a b l e ；e s t a b l i s h e dt h eg a t eh o i s tc r a n em o d e a n a l y s i sm o d e l t h ec o m p u t a t i o nh a di n d i c a t e dw h e nf u l ll o a dt h ef i r s t o r d e rb a s ef r e q u e n c y , s a t i s f i e dt h eh o i s tc r a n et h ep r o f e s s i o nd e s i g n s t a n d a r d ，a n da n t i o v e r t u r n e dt h ep e r f o r m a n c et ot h eh o i s tc r a n et oc a r r y n 中南大学硕士论文 o nt h ea n a l y s i s ，i n d i c a t e dt h i ss e r i o u s l yh a db e t t e rf a t i g u ec a p a b i l i t ya n d t h ec o m f o r t a b l e f e e l i n gt ot h eo p e r a t i n gp e r s o n n e l t h es y n t h e s i sa b o v ew o r k , t h ep a p e ru t i l i z a t i o nm o d e md e s i g n ，t h e a n a l y s i sm e t h o d , p r o p o s e dt h eg a t eh o i s tc r a n et r a n s f o r m a t i o np l a n , a n d f r o ms e c u r e ，o p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c ea sw e l la so p e r a t o r sa n g l ca n ds o o nc o m f o r t a b l e n e s se m b a r k s ，t h r o u g ht h ei n t e n s i t ya n dd e f l e c t i o nt h e c o m p u t a t i o na n a l y s i s ，t h ed e s i g np a r a m e t e ro p t i m i z e s ，m o d et h ea n a l y s i s c o m p u t a t i o na sw e l la sa n t i - o v e r t u r n st h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i s ，h a s c o n f i r m e dt h ep l a nr a t i o n a l i t y , t h e s ew o r kt ot h eg a t eh o i s tc r a n es e r i e s d e s i g n ，t h et r a n s f o r m a t i o nh a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c e ，a n dt ot h es i m i l a r s t r u c t u r em e c h a n i c a ld e v i c ed e s i g na l s oc a nt h ec e r t a i nm o d e lf u n c t i o n k e y w o r d s ：g a n t r yc r a n e s ，i n t e n s i t y , d e f l e c t i o n ，f i n i t ed e m e n t ，s t r u c t u r e o p t i m i z a t i o n n l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的 学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论 文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：孕年j 月粤日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，l i p ；学校有权保留学 位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门规定送交学位论文。 作者签名： 翮签硒苎吼乎上月芗 中南大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 本章简单介绍起重机的发展概况、国内外研究的特点及其起重机的组成，对 起重机的重要部分金属结构的设计方法进行了阐述，确定论文的研究方向和 要做的工作。 1 1 起重机发展概况及特点 自从人类进入到文明社会以来，物料搬运便成为人类活动的重要组成部分。距 今已有五千年有历史。随着生产规模的扩大和生产自动化程度的提高，作为物料 搬运的重要设备的起重机在现代生产过程中应用的越来越广，作用越来越大，对 起重机要求越来越高；提高起重机运输机械的生产效率，确保运行的安全可靠性， 降低物料搬运成本是十分重要的。据统计，在美国每百元工业产品成本中，物料 搬运费用约占2 0 - 2 5 ，其工厂物料搬运所用工时占生产周期的2 0 ：英国每年 用于工厂及工地物料搬运的费用高达1 0 亿英镑，相当于全国工资的九分之一； 由于科学技术的飞速发展，推动现代设计和现代制造业的飞速发展，激烈的国际 竞争也越来越依靠技术的竞争，这些竞争都促使起重机的技术性能进入崭新的发 展阶段，起重机正经历着一场巨大的变革。起重机正向大型化、高速化、自动化 和智能化方向发展，这也是社会发展的必然要求【“。 起重机的发展特点： 起重机工作的可靠性、安全性、先进性一直受到人们的高度重视；但受传统 工艺的制约，改革开放前的三十年国内起重机基本是在原苏联的模式下做一些小 型的改进和发展【2 】。随着大量先进技术的引入，现代起重机也发生了较大的变化。 1 、起重量大型化，工作速度高速化 现代起重机发展的主要趋势之一，是起吊重量大型化，工作速度高速化。由 于社会需求的增加，推动和促进了企业的技术改造和技术进步，大量大型设备的 应用，对起重机的大型化和高速度提出了更高的要求。目前世界上最大的浮游起 重机起吊重量6 5 0 0 t , 最大的履带起重机起吊重量3 0 0 0 r , 最大的桥式起重机起吊 重量t 2 0 0 t , 自动化立体仓库堆垛起重机最大运行速度达2 4 0 m m i n 。 2 、结构型式标准化、生产模式国际化 随着社会的发展，起重机在类型、规格和数量上也激剧增加，因此，急需要 求进行起重机尺寸的标准化工作。许多起重机是成系列、成批量的产品，采用系 统多目标整体优化方法进行起重机系列设计已成为发展重点，通过全面考虑性 中南大学硕士论文 第一章绪论 能、成本、工艺、生产管理、制造批量和使用维护等多种因素对系列主参数进行 合理匹配。以达到改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度，用较少规格 数的零部件组成多品种、多规格的系列标准产品，充分满足用户需求。 生产模式国际化提供了充分的物质和技术支持。实现结构型式的标准化还可 以把经过实践检验成熟可靠的结构型式应用于新的产品中，避免结构型式的不合 理产生的技术质量问题，从而提高产品的质量。 3 、产品性能自动化、智能化 随着科学技术的进步，各种监测、传感控制技术在起重机上得到了广泛的应 用，从而使起重机的使用性能得到很大的提高，使起重机从以前简单意义上物料 搬运工具变成目前的物流、信息流综合传送设备。 故障显示、记录、打印装置可将正发生故障的部、零件名称在司机室内的显 示屏上显示出来，维修人员立即知道故障发生的部位，可大大缩短维修时问。易 出故障的电气和机械的零部件，由业主列出清单，起重机制造厂按业主要求设置 故障显示点，一旦被监测零部件出现故障，就会在屏幕上显示出来，避免更大故 障的发生。该装置除具有显示功能外，还具备记录、打印功能，备查找故障原因， 落实核对责任的需要。二、三维定位装置定位精度可控制在l o r e 以下，吊具在 空间的位置可通过本装置在司机室内的显示屏上显示，可满足各类自动作业线的 工艺要求。司机可通过显示屏上显示的数字直观地确定吊具或物体是否已到达该 物体应到达的位置，大大缩短起吊时间，也避免物体的晃动，可有效提高生产效 率。过去为防止二台起重机碰撞，仅安装限位开关和缓冲器，现有激光式或雷达 式防碰撞装置。在一台起重机设发射装置，在另一台起重机设接受或反射装置， 达到预先设定的间距时，就发出报警，避免发生相撞。生产工程机械的美国卡特 皮勒公司金属结构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统，用以 钢板喷丸处理、自动切割和出入库的自动装卸运输作业，比原先采用单机操作工 作效率提高6 5 。 4 、起重机自重轻量化 一台大型起重机自重达千吨甚至上万吨，即使是中小型起重机如能减轻自重， 对于提高起重机的先进性都有很大的意义。 新的材料出现对起重机减轻自重提供了很好的基础，很多起重机制造企业大量 采用高强度钢或高强度轻质合金；采用的高强度钢除有较高的强度外，还有焊接 性好、耐磨性好、加工性好以及价格经济等优点，采用的高强度轻质合金可以延 长使用寿命和减轻自重。例如英国科尔斯公司在8 0 t 液压伸缩臂汽车起重机上采 1 用尼龙滑轮后，其重量仅为钢制滑轮的圭。采用先进的金属结构型式，对于减轻 ， 起重机的自重作用也十分明显，如目前国外对轮式起重机的臂架和底架创造了一 些独特结构形式，八角形截面的伸缩臂架，具有菱形孔的伸缩臂以及盆形承座辐 2 中南大学硕士论文第一章绪论 射式支腿的底架。 5 、人机工程合理化、操作环境舒适化 随着社会的进步，环保意识和劳动保护意识的提高。起重机设计过程中把人 机工程及操作环境舒适要求提到了较高的要求，人机工程合理化正逐步成为现代 冶金起重机发展的主要趋势之一，越来越引起人们的重视。如：司机室加装冷、 暖空调、隔热保护、地面无线遥控、车上有线和无线通讯、航空座椅、司机休息 室，上、下吊车全部采用斜梯、电气室加装隔热防护和冷风机，较窄的人行通道 采取防滑措施，经常检修部分加装吊笼等都为操作维护人员提供了较好的工作环 境和条件。 从以上我们可以得知起重机正经历了巨大的变革，起重机正向大型化、高速 化、轻型化、多样化、自动化、智能化、成套化、实用化发展，这也是社会发展 的必然趋势f l j 。 1 2 起重机相关概念 1 2 1 起重机的类型和用途 起重机有桥架型、缆索型和臂架型【3 1 三大类型；根据用途和使用场合的不同， 起重机有多种形式，但其共同点是整机结构和工作机构较为复杂，工作时能独立 或同时完成多个工作动作；桥架型起重机又分为梁式起重机、装卸桥起重机、桥 式起重枫和门式起重机。 图l - i 双梁式起重机图图1 - ：2 装卸桥起重机图 中南大学硕士论文第一章绪论 图1 3 桥式起重机图图1 4 门式起重机图 梁式起重机采用电动梁结构，跨度小，结构简单，在地面上操作起重机工作， 用于起重量较小的工作场所；桥式起重机采用电动双梁桥式结构，主梁为箱型结 构，强度高，跨距大，在主梁下有操作驾驶室，用于起重量大工作速度快的工作 场所，桥式起重机与梁式起重机的不同之处是其起重移动部件放置在主梁的上 部；装卸桥起重机采用桁架结构，主梁跨度大，要求起重小车速度快，从而保证 装卸生产率，用于冶炼厂、发电厂、码头以及港口集装箱的装卸工作；门式起重 机是一种桥架两端通过两侧支腿支承在地面轨道或基础上的桥架型起重机，类似 “门”字形状，又称龙门起重机，桁架式龙门起重机不仅自重轻，而且受风面积 小，这种起重机起重量大，广泛应用于工厂、货场、码头和港口的各种物料装卸 和搬运工作，桁架式门式起重机具有结构轻便、节约材料、起重灵活、操作简单、 安装发拆卸方便等特点。 1 2 。2 起重机的主要性能参数 起重机的基本参数是说明起重机械的工作性能和规格的一些数据，是设计起 重机械的技术依据，也是生产使用中选择起重机械技术性能的依据。 起吊重量q 是指起重机起吊物的重量，一般以吨为单位，起重量大的龙门 吊常备有主副两套起升机构，副钩的起吊重量约为主钩的五分之一到三分之一。 起升高度h 是指自地面或轨道面到吊钩中心的距离，用h 表示，单位为m ， 通常用额定起升高度表示。 跨度是指桥式起重机大车运行轨道中心线之间的距离，单位为m ，国标中有 桥式起重机跨度有标准。 工作速度v 是指起重机的各机构的工作速度，包括起升、运行、变幅和旋 转等工作，单位为n d m h l ，机构的工作速度是根据工作要求不定的。 4 中南大学碗士论文第一章绪论 外形尺寸和自重这是任何一种机器应有的技术经济指标，它不是能说明起重 机械本身性能优劣的数据，而且直接影响基建费用的投资，因此应十分重视减轻 自重和减小外形尺寸，以达到紧凑和轻便。 1 。2 3 起重机计算载荷类别 i 类载荷 这是有关零、构件疲劳、磨损和发热的一种计算载荷，考虑的是起重机在正 常工作情况下产生的载荷。 i i 类载荷 这是有关零、构件静强度、构件局部稳定性以及起重机抗倾覆稳定性的计算 载荷。考虑的是起重机在工作时可能发生的最不利的载荷组合，如：最大起升载 荷、最大风载荷、起动和制动产生的动载荷、最大物品摆动载荷等。 类载荷 这是有关起重机非工作状态下安全性的计算载荷，如起重机是否会被暴风吹 走或翻到，以及为防止暴风吹走而设置的安全装置的零件强度等。 由于其载荷状态不同，许用应力也不一样，比如：起重机设计，在载荷组合 i 时，其安全系数为1 5 ；组合i i 时，其安全系数为1 3 3 ，组合i 时，为1 1 5 4 。 1 3 起重机设计方法简介 由金属材料轧制成的型钢和板钢作为基本元件，按照一定的结构组织规则， 用焊接、铆接或栓接的方法连接起来，能够承受载荷的结构物称为金属结构。 随着现代工业的迅速发展和国内外市场竞争的加剧，起重机在现代化生产过 程中应用越来越广作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高因此起重机的设计 计算方法需不断地充实、完善，使设计出的起重机更符合实际使用工况，更注重 功能性、经济性和可靠性。 长期以来，起重机的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半 经验设计法和类比法、直觉法等传统设计方法，设计过程反复多，周期长，设计 的精确度差。近年来随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价 值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程等现代设计理论的不断发展，促使许 多跨学科的现代设计方法出现，使起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新 阶段；下面简述起重机的主要设计方法。 l 、极限状态设计方法 在起重机钢结构设计中，长期以来采用的是许用应力设计法，这种方法使用 5 中南大学硕士论文第一章绪论 方便、计算简单、有一定的准确性，但对不同用途、性质的金属结构采用相同的 安全系数，这些安全系数的设定往往偏听偏大或偏小，使结构不是偏于过安全， 就是偏于不安全。在2 0 世纪中期，概率论、数理统计、可靠性理论等学科引用 到结构设计中，出现了概率统计方法为基础的金属结构极限状态设计法。把载荷、 材料性质、构件实际尺寸等无益的为给予某种概率统计的统计量，通过大量实测 和调查，得到基本变量的分布概率和参数，然后应用概率论的可靠性知识，计算 失效的概率来估算起重机钢结构的安全度。现在概率极限状态设计方法已在结构 设计中较多的采用。如我国1 9 8 8 发布的钢结构设计规范g b j l 7 8 8 1 n 中规定， 除疲劳计算外，其它均采用概率理论为基础的极限状态设计方法。 2 、模块化设计 模块化设计“川是离散分析设计方法的一种，根据事物的可分性，离散 集合的规律，任何复杂的研究对象、系统都可以离散成有限个基本的简单的单元 或子系统，来分析、细解和处理，然后再复合集成得到总体的近似于圆满的求解。 模块化设计认为专用机械中多数功能可以采用已有的产品解，而具有新型解的专 用功能只是少数，因此，在专用机械设计中采用功能化的产品结构，对于评价专 用机械的设计、制造风险+ 分有利。 提倡在产品功能分析的基础上，将产品分解成具有某种功能的一个或几个模 块化的基本结构，通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些 基本结构可以是零件、部件，甚至是一个系统。理想的模块化基本结构应该具有 标准化的接口( 联接和配合部) ，并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便 化、经济化，具有互换性、相容性和相关性。 起重机采用模块化设计，不仅是一种设计方法的改革，而且会影响到整个起 重机行业的技术、生产和管理。老产品的更新换代、新产品的研制速度将大大加 快。对起重机进行改进只需针对某几个模块。设计新型起重机只需选用不同模块 重新进行组合。某些最新技术，可设计于模块之中，待试验研究达到结构可靠、 性能稳定后，就可加到产品中去，取代陈旧结构。由于提高了通用化程度，可使 单件小批生产的产品改换成具有相当批量的模块生产，实现工艺过程的典型化和 工装标准化，可采用高效率的设备组织专业化生产线和开展社会化协作。用户在 现有起重机上添加其它功能的模块可扩大使用范围。生产厂家也能以较少的模块 形式，组合成不同功能和不同规格的起重机，以尽可能多的品种，满足市场需求， 增强竞争能力。起重机由具有标准接口的模块组合而成，装拆简单、运输方便、 备件也大量通用，简化了维护和修理。模块化设计主要适用于成批生产的起重机 系列设计。 3 、虚拟化设计方法 6 中南大学硕士论文 第一章绪论 虚拟化设计方法的主要特点是：根据设计方法学理论，借助于三维图形软件、 虚拟现实技术，以及多媒体、超媒体工具进行产品的开发设计、表达产品的构思、 描述产品的结构。在设计时，把产品的整个开发过程概括为“产品规划”、“开发” 和“生产规划”三个阶段，并且充分利用了现有的c a d 尖端技术一虚拟现实技术。 虚拟设计可以缩短产品更新换代周期，而且还可以使产品由原来的单一品 种、大批量生产模式，转向多品种、高质量、小批量生产模式。传统的人工设计 方式已不能适应这种变化的要求，随着计算机技术的迅速发展，已有各种性能良 好的计算机硬件及外围设备陆续问世。计算机软件技术也有很大的提高，发展了 数据库技术，开发了大量图形软件，以及与现代设计理论相适应的各种应用软件。 这些都促进了现有的c a d 尖端技术一虚拟现实技术的应用和发展，即采用计算机 来辅助设计人员完成设计过程中的部分工作。目前现有的c a d 尖端技术一虚拟现 实技术”“”已逐步深入到设计的各个阶段和设计工作所涉及的各个领域，不仅 能利用计算机运算速度快、计算精度高、存储信息量大和逻辑推理能力强等优点 代替人工进行计算与绘图，而且还能通过人枫交互，最大限度地发挥设计人员的 创造力和经验。 4 、有限元法 有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法“”，有限元 法是把所要分析的弹性体假想地分割为有限个单元，各单元仅在节点处连接并传 递内力，连接应满足变形协调条件，这个过程称为离散化。外载荷也以节点载荷 的形式出现，把所有的外力向节点移置；这样将无限自由度的连续体的力学计算 转变为有限单元节点参数的计算，以完成复杂结构的力学分析。在有限元法中， 通常是以位移法来求解的。有限元法的计算精度取决于单元的数量和形状，所以 总可以达到所要求的精度。由于单元数量较多，必然要解数量很多的线性联立方 程，这就非用电子计算机不可；随着计算机的发展，在工程领域得以广泛应用。 一般传统设计计算方法局限性很大，仅能进行粗略简化分析，载荷工况只有有限 的几种。无法随意组合，大多只能分析静力。采用有限元法则优越得多，能整体、 全面、多工况随意组合，进行静力、动力、线性和非线性分析，对完成复杂结构 或多自由度系统的分析十分有效。有限元法能针对起重机嘲实际使用的结构边 界条件进行定量的分析计算，为设计提供丰富的、反映实际工况的计算结果，并 可配有丰富的动态图形显示功能。例如对桥式起重机桥架进行计算，传统方法是 将其分解为主梁和端梁两部分，并简化为简支梁计算，精确度不高。采用有限元 法，可将桥架作为一个整体框架计算，并可分别进行静力和动力分析，给出局部 的应力值。对于大型起重机和特殊、关键零部件的设计计算及局部应力分析“1 ， 采用有限元法更具有优越性。 7 中南大学硕士论文 第一章绪论 5 、优化设计 长期以来，起重机设计一直沿用着经验类比设计方法，不仅需要花费较多的 设计时间，设计周期也长，而且只限于在少数几个候选方案中进行比较分析，同 时选择的方案也没有十分精确的评价标准来衡量其优劣，一般很难得到近乎最优 的设计方案。随着电子计算机技术的发展与应用，可以建立设计过程能自动择取 最优方案的一种迅速有效的方法，即优化设计。这种设计方法是数学规划与计算 机技术相结合的产物，成为解决复杂设计问题的一种有效工具。起重机设计采用 优化方法，能根据产品要求，合理确定和计算各项参数，以期达到最佳设计目标， 例如重量、成本、性能和承载能力等( 8 j 。 结构优化设计的理论和方法，基本上可以归结为两大类：第一类是准则方法。 它是从结构力学的原理出发，首先选定使结构达到最优的准则( 例如满应力准则、 能量准则等) ，而后根据这些准则寻求结构的最优解( 即满应力设计、满应变能 设计等) ；第二类是数学方法，它是从解极值问题的数学原理出发，运用数学规 划和优选法等各种方法，求得一系列设计参数的最优解( 例如重量最轻设计) 。 结构优化设计，按其变量的性质分，有连续变量优化设计和离散变量优化设计 其中连续变量优化还有分布参数( 设计变量是坐标的连续函数) 优化和离散( 设 计变量本身是连续变化的) 参数优化；按难易层次分，有截面( 或尺寸) 优化、 形状优化、拓扑优化、布局优化和类型优化。对于不同的结构优化，虽然建立的 优化设计模型一般不同，但优化数学模型的基本要素还是设计变量、目标函数和 约束条件。 以结构截面尺寸作为设计变量，在以有限元方法作为结构分析手段时采用常 规单元( 例如杆件截面积、梁单元尺寸、膜或板以及壳单元的厚度等) 的几何变 量作为参数，以降低结构重量，充分发挥材料的机械性能为优化目标，在结构强 度、刚度等约束下的寻优过程中，设计变量与刚度矩阵一般为线性关系。因此， 在结构分析与优化算法的连接中，由于设计参数均是以有限元中诸如杆单元或梁 单元截面尺寸、板壳单元厚度等为变量，最优解的搜索过程并不改变结构的有限 元网格模型。 自6 0 年代末7 0 年代初，德国、俄罗斯、美国、日本等国和我国都开展了桥 式起重机主梁优化设计，大多以重量最轻为目标函数；以后又逐步扩展到桥架“”、 零部件和机构的优化。但由于起重机是成系列、成批量的产品，单目标优化逐渐 已不能满足设计者的需求，如何寻求多目标多参数，能兼顾多种因素的整体优化 方法已引起世界各国起重机设计者关心。我国曾采用多级模糊“”综合评判方法， 综合考虑起重机性能、成本、工艺、生产管理、制造批量和使用维护等多种因素， 达到用最少规格数的零部件组成尽可能多的起重机规格型号数，解决了起重机系 暮 中南大学硕士论文 第一章绪论 列整体优化问题，取得了一定的效果。今后在起重机的方案选择、主参数匹配、 主要结构件及传动件的设计及布置等方面，将会更多地采用优化设计方法“。 1 4 本论文的背景及研究的主要内容 本课题为某公司的横向意向项目，此公司原有一台3 0 t 3 2 m 门型起重枫一 台，现因不能满足生产扩大的需要，公司决定将此门型起重机的跨度加大到4 2 m 的跨度；为了节约成本和资金，公司决定改造时尽可能用到3 0 t 3 2 m 门型起重机 的部件，改造后希望能达到满足负荷要求、安全可靠。原门式起重机图纸为1 9 7 6 年购于上海某公司设计，至到1 9 8 7 年才用来制造该起重机；1 9 7 6 年设计的图 纸，采用苏联的起重机设计标准进行设计，十分可靠，设计余量很大；因为起重 机的跨距由原来的3 2 m 增加到4 2 m ，起重机的主梁是必须要重新进行制造，对起 重机的支腿及行走机构来说，对其强度进行计算后如果能满足要求的话，对此公 司来说是节约了很一大笔制造费用，并且可节约购置材料的费用，减少制造工期， 提前了起重机的使用日期。对起重机进行强度和挠度分析，对使用的工作人员的 人生安全及设备的承重范围都有着十分重要的意义。因此，确定此门型起重机的 主梁及其支承腿是否可以继续使用。对此门型起重机的载荷进行计算，提出改造 方案，并对改造的可行性进行分析，这是摆在我面前的重要的问题。本论文的研 究工作将采用大型有限元分析软件a n s y s 和a n s y s - a p d l 参数化语言，具体研究 内容和研究方法如下： 1 、 从可施工角度、成本角度及重复使用性提出该起重机改造方案。 2 、建立门型起重机的力学模型、实体模型及边界约束模型，运用有限元软 件计算分析起重机最大挠度、最大应力值及其位置，并判断改造方案的可行性。 3 、用a n s y s 软件和a n s y s - a p d l 参数化语言对龙门吊的主梁进行优化设计， 以达到满足使用要求的条件下节省材料，实现起重机改造后轻量化的目的。 4 、 为提高起重机操作室的司机人员的耐劳度和舒适感，对该门型起重机进 行模态分析计算，判断其自振频率值是否满足设计规范要求。 9 中南大学硕士论文第二章3 0 t 4 2 m 门式起重机改造方案及强度分析技术 第二章3 0 t 3 2 m 门式起重机改造方案及分析技术 门式起重机是被广泛应用于货场、码头及工程建设的起重搬运设备；本章对 门式起重机结构及工作原理进行阐述，提出3 0 t 3 2 m 的门式起重机的增跨改造 的原则及其方案，并对起重机的强度分析技术进行说明 2 1 门式起重机结构及工作原理 门式起重机由主梁、承载支腿、起吊装置、平移装置( 小车、大车及附件) 以及操纵司机室组成。( 1 ) 主梁是起重机最重要的工作承载机构，其承载能力的 大小在很大程度上决定着起重机的吊装能力，而其给在给定跨距和额定负荷下的 最大强度、最大挠度又是考察主梁承载能力的重要判据：( 2 ) 承载支腿则是承受 起重机的自重和载荷的钢架结构，一般分为刚性支腿和柔性支腿；( 3 ) 起吊装置 包括取物装置和起升装置，取物装置通过吊、抓、吸、夹、托或其他方式来抓取 物料，起升装置用来实现起吊物料的垂直升降以及起吊物料的左右移动；( 4 ) 平 移装置则通过起重机大车或起重小车驱动圭粱水平移动来实现起吊物料的前、后 搬运；( 5 ) 操纵司机室通过电气、液压系统控制操纵起重机起吊装置和平移装置 进行各种起重作业 9 - 1 0 1 。该公司的3 0 t 3 2 m 门式起重机的结构及其参数如下： 1 一柔性支腿2 一主梁3 一小车4 一起吊装置5 一操控司机室6 一刚性支腿 7 一大车 图2 - 1门式起重机结构简图 1 0 中南大学硕士论文 第二章3 0 “4 2 m 门式起重机改造方案及强度分析技术 该门型起重机的框架的轴线高度为2 5 m ，框架轴线宽度为2 5 m ，节闻长度 为2 5 m 的节数为1 2 ，还有一跨节间长度为2 m ：其电动机型号规格、各部件的 重量如下表。 表2 1 电动机型号表 垄整重量! 墼!鱼签星重! 墼! 牵引卷扬机 7 5 6大车行走机构8 5 0 0 左右导向滑轮8 4 6 起重小车 1 7 5 6 吊钩及横担 1 3 7 5主卷扬机 1 9 1 8 操作室( 含电气设备) 1 0 0 0 电缆收线装置 6 0 0 5 t 电动葫芦 1 0 0 0钢结构4 0 4 0 0 表2 23 0 t 3 2 m 各部件质量表 垒整堕量! 堑!鱼整 亟量! 丝! 主梁 2 5 0 0 0挠性腿4 8 9 6 外伸粱4 2 0 0平台走道4 3 2 0 接头板 2 2 0 0其它 1 2 5 4 刚性腿 7 5 3 0总重 一璺壁塑 表2 3 钢结构部分质量分配表 2 23 0 t 3 2 m 门式起重机技术指标 技术参数是反映起重机功能和性能的主要参数，也是进行超重机选型的基本 依据，门式起重机的主要技术参数有额定起重量、跨距、起升高度、轨距、小车 行走速度、大车行走速度、最大轮压及速比等，下表给出了该门式起重机的主要 技术参数。 起重机性能一览表： 中南大学硕士论文第二章3 0 t 4 2 r a 门式起重帆改造方案及强度分析技束 2 3 门式起重机改造方案 2 3 1 改造的原则 表2 - 4 起重机性能表 对于该门型起重机的改造主要是在跨度上增大了l o r a 主钩及小钩起吊重量 没有变化，主钩及小钩的起吊高度没有发生改变，大车和小车的行走速度可以按原 跨度时进行，本着便于施工和节约成本的宗旨，改造时可按下面原则进行。 起吊装置主要包括取物装置和起升装置，由吊钩、横担扁担、钢丝绳、滑 轮组、电动葫芦、主卷扬机及绕线滚筒组成，吊钩、横担扁担和电动葫芦是可以 拆卸后安装的，而由于起吊重量没有变化，所以不进行改造就可使用；绕线钢丝 绳由于跨度的增加，钢丝绳必然会加长，而绕线滚筒由于绕线钢丝绳的加长，其 缠绕圈数和缠绕的层数必然增加，绕线滚筒两端挡圈直径要求增大，滚筒的受力 会有所增加，滚筒的外径要求加大。 由于该门型起重机的跨度由原来的3 2 m 要求增加到4 2 m ，则起重机的主梁 必须要进行改造；该门型起重机图纸为1 9 7 6 年购于上海某设计院设计， 1 9 8 7 年才用来制造该起重机，并且该起重机的金属结构防锈保护得很好；众所周知 1 9 7 6 年设计的图纸，采用苏联的起重机设计标准进行设计，十分可靠，设计余 量很大，而起的重量没有增加，将试着对原来的支承腿进行分析和和改造。 移动装置是指起重机的小车、行走大车及附件，由于该门型起重机在行走 速度方面没有改变，起重机的小车、行走大车是独立的部分，所以不用改造是可 1 2 中南大学硕士论文 第二章3 0 f f 4 2 m 门式起重机改造方案及强度分析技术 以利用的。 起重机的控制是由电气系统控制操纵，该系统部分对该门型起重机的因跨 度改变是没有影响，除了控制线要求加长外，其它的不必改造。 2 3 。2 改造方案设计 充分利用现有的门式起重机的装备，通过对现有3 0 t 3 2 m 龙门吊的主梁的改造 和对支腿进行分析，其改造方案：对现有龙门吊主梁进行增跨改造，即保持现有 主梁框架结构形式不变，将其长度由3 2 m 延长至l j 4 2 m ，框架的轴线高度一般取跨度 的l _ ，现定框架高度为3 m ，框架的轴线宽度一般取框架的轴线高度的o 8 倍， l4 为了便于安装和支承腿的使用，与改造前的起重机的框架宽度一样，现定框架宽 度为2 5 m ，节间长度为2 6 2 5 m ，节间数为1 6 ，进行设计计算，框架结构杆件的型 钢类型按原3 2 m 选取，校核其强度与挠度；仅对主梁结构进行设计、制造；需要 资金3 0 万元左右，投资少，回收期短，且能满足生产需要。 2 4 改造方案分析方法及其有限元分析关键技术 2 4 1 可行性分析方法 传统起重机的设计方法多采用古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计 法和类比法、直觉法等传统设计方法；在起重机钢结构设计中，长期以来采用的 是许用应力设计法，这种方法使用方便、计算简单、有一定的准确性；在2 0 世 纪中期，概率论、数理统计、可靠性理论等学科引用到结构设计中，出现了概率 统计方法为基础的金属结构极限状态设计法“2 “。 1 、许用应力法计算起重机金属结构强度 由于许用应力法简便、可靠，易于掌握，所以国内外都以这种方法作为结构 设计的基础；许用应力法计算强度的表达式为： o m a x p 】，z m a x f 1 ( 2 1 ) o - m a x 、f m 强；金属结构在载荷作用下构件中所产生的最大应力 【仃】s 二i ，构件材料许用应力( 载荷组合u 时，其安全系数n 为1 3 3 ) 吲= 等 2 、极限状态法计算起重机金属结构强度 2 0 世纪8 0 年代左右，起重机金属结构理论的发展的趋势为由许用应力计算 法过渡到极限状态计算法，前苏联在1 9 5 5 年就制定了按极限状态计算起重机金 属结构的设计规范，并首先在桥式起重机金属结构的计算中应用极限状态计算 法。前苏联的规范中规定有三种极限状态，分别是承载能力极限状态、变形极限 中南大学硕士论文 第二章3 0 t 4 2 m 门式起重机改造方案及强度分析技术 状态和裂缝极限状态，现简单介绍承载能力极限状态法。 保证起重机金属结构正常工作的条件是： n 西( 2 2 ) 式中：为金属结构杆件的计算内力( 为外载荷的函数) = p x a x n 。 西金属结构杆件的极限内力，它与材料的性质，杆件的截面尺寸和使用条 件有关。 其中：p 计算载荷。 口杆件计算内力的影响系数。 界计算载荷的过载系数( 由统计方法确定) d = a x r x m 其中：一结构杆件的截面特性。 矗材料的极限应力，r = ；x o 。 口材料的匀质系数。 正材料的屈服极限。 m 金属结构的使用条件系数，m = m 。“。 玛考虑结构杆件的重要程度的系数，现( o 7 5 ，1 ) 鸭考虑结构杆件的尺寸偏差和制造、安装质量的系数，鸭e ( o 9 , 0 9 5 ) 。 。 巩考虑计算载荷和计算简图不够精确的系数，根据具体情况确定。 代入可得到下式： p x 口t x n a x r x m ( 2 3 ) 令计=