（机械设计及理论专业论文）门式起重机结构cad技术研究.pdf

中文摘要 针对目前起重机行业的现状和需求，急需能集各种功能于一体的专业化设计软 件。因此，本课题对通用门式起重机的结构c a d 设计软件系统进行一定的开发和研 究。 通过对软件系统各部分功能及特点的分析，将该软件系统分为以下几部分：总 框架的构建及软件集成、结构理论分析与验算模块、优化设计模块、可视化设计模 块、二维参数绘图模块、三维建模模块、自动文档模块等。而本文主要研究总框架 的构建及软件集成、结构理论分析与验算，并对起重机常用连接形式的强度进行一 定分析。 通过对软件系统总框架的构建，确定数据文件及数据结构，明确划分各模块， 对其中的结构理论分析与验算模块作进一步的研究，把其分为几何尺寸计算模块和 结构验算模块。通过对工程图及门式起重机实物进行分析，建立门式起重机尺寸链 体系，通过编程语言将其转化为成员函数，完成几何尺寸计算模块的建立；通过对 门式起重机进行内力分析，计算各危险截面的应力、变形、高宽比等，并判断其是 否符合材料性能要求，同时为优化设计模块确定优化变量，建立目标函数及约束条 件，完成结构验算模块的建立。最后，完成对各模块的集成工作。由于在结构验算 中总是发现连接强度难以满足，因此本文亦对起重机常用的连接形式栓接，进 行一定的强度分析。 本文在w i n d o w s 操作系统下，以v c + + 语言作为开发工具，完成了门式起重机结 构c a d 设计软件的部分开发。 本文的思路及方法为工程设计方法提供了一种新思路，具有。一定的理论意义和 实用价值。 关键词：通用门式起重机；c a d ；软件集成；结构理论分析与建模；连接强度 a b s t r a c t i nt h ev i e wo fe x i s t i n gs i t u a t i o na n dr e q u i r e m e n t o ft h ec r a n ei n d u s t r y ，i t u r g e n t l yn e e d sas o r to fp r o f e s s i o n a ld e s i g ns o f t w a r ew h i c h c o m b i n e dv a r i o u s f u n c t i o n st o g e t h e r t h e r e f o r e ，t h ep a p e rd e v e l o p e da n dr e s e a r c h e dc a d s t r u c t u r a ld e s i g ns o f t w a r eo ft h eg e n e r a lp u r p o s eg a n t r yc r a n e t h r o u g ha n a l y s i sf u n c t i o n sa n df e a t u r e so f d i f f e r e n tp a r t so ft h e s o f t w a r e i td i v i d e di n t os e v e r a lp a r t s ：f r a m ec o n s t r u c t i o na n ds o f t w a r e i n t e g r a t i o n s t r u c t u r a lt h e o r ya n a l y s i sa n dm o d e l i n g ，o p t i m i z e d d e s i g n m o d e l i n g ，v i s u a l i z e dd e s i g nm o d e l i n g ，d o c u m e n t a t i o nd r a w i n gm o d e l i n g ， t h r e ed i m e n s i o n a lm o d e l i n ga n da u t o m a t i cd o c u m e n tm o d e l i n g t h em a i n t a s k so ft h ep a p e ri sa b o u tf r a m ec o n s t r u c t i o na n ds o f t w a r ei n t e g r a t i o n ， s t r u c t u r a lt h e o r ya n a l y s i sa n dc h e c k i n ga n dg i v ea n a l y s i so fc o m m o n c o n n e c t i o nf o r mo ft h ec r a n e t h r o u g hb u i l d i n gt h em a i nf r a m eo f t h es o f t w a r es y s t e m ，d e t e r m i n i n g d a t aj f i l ea n dd a t as t r u c t u r e ，c l e a r i n ge a c hm o d u l ea n dg i v ef u r t h e r r e s e a r c ho f t h es n u c t u r a lt h e o r ya n a l y s i sa n dc h e c k i n gm o d u l e ，w h i c h c a nb ed i v i d e di n t o d i m e n s ；i o n a lc a l c u l a t i o nm o d e la n ds t r u c t u r a lc a l c u l a t i o nm o d e l a f t e r s t r u c t u r a la n a l y s i so ft h ec r a n e ，d i m e n s i o nc h a i nc a nb ec o n s t r u c t e d ，t h e ni t w i l lb ec o n v e r t e di n t om e m b e rf u n c t i o na n dd i m e n s i o n a lc a l c u l a t i o n m o d e l w i l lb ee s t a b l i s h e d t h r o u g ht h es t r u c t u r a lm o d e l i n g o ft h ec r a n e ，s t r e s s ， d e f o r m a t i o na n dd e p t h w i d t hr a t i oo f t h ec r i t i c a ls e c t i o nw i l lb ec a l c u l a t e d a n dt h e ni u d g ew h e t h e ri tf u l f i l l sr e q u i r e m e n t so fm a t e r i a lp r o p e r t i e so rn o t ， d e t e r m i n eo p t i m i z e dv a r i a b l ef o ro p t i m i z e dd e s i g n ，c o n s t r u c to b j e c t i v e f u n c t i o na n dc o n s t r a i n tc o n d i t i o na n dc o m p l e t ec o n s t r u c t i o no f t h es t r u c t u r a l c a l c u l a t i o nm o d e l d u r i n gt h es t r u c t u r a lc a l c u l a t i o n ，i ti sf o u n d t h a tt h ej o i n t s t r e n g t ho f t h ec r a n ei sd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t ，s ot h e t h e s i s9 1 v e s s t r e n g t ha n a l y s i so f c o m m o nc o n n e c t i o nf o r m ，b o l t i n g t h ep a p e ra d o p t e dw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e ma n dc o m p l e t e d t h ec a d d e s i g ns o f t w a r eo f t h eg a n t r yc r a n eb a s e do nv c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h et h o u g h t sa n dm e t h o d sp r o v i d e dan e w t h o u g h ti ne n g i n e e r i n gd e s i g n ， w h i c hh a v ec e r t a i nt h e o r yo fm e a n i n ga n du s ev a l u e k e y w o r d s ：g e n e r a lp u r p o s eg a n t r yc r a n e ，c a d ，s o f t w a r ei n t e g r a t i o n ， s t r u c t u r a lt h e o r ya n a l y s i sa n dm o d e l i n g ，j o i n ts t r e n g t h 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 作者签名：笋豇艮孕卜日期： 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存 学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交 流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名：；壁垦是】e t t t i l ： 导师签名：日期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 起重机设计现状分析 随着现代工业的发展、生产规模的扩大以及自动化程度的提高，作为物料搬运 重要设备的起重机械在现代化生产过程中的作用越来越大，应用越来越广，需求量 不断增加，对起重机的要求也越来越高，科学技术的飞速发展推动了现代设计和制 造能力的提高，激烈的国际市场竞争也越来越依赖于技术的竞争，这些都促使国内 外各种起重机制造企业在生产中更多地采用各种先进技术以缩短生产和设计周期， 增强市场竞争力2 。 1 1 1 国外起重机设计现状 近年来，随着世界销售市场对起莺机械需求量的不断增加，国外各种起重机制 造企业在生产中不断的采用机械自动化和自动化设备以提高劳动生产率。有关资料 叫啼1 表明，美国、德国、日本等地很多起重机公司都广泛应用c a d 技术和优化设计技 术，彻底抛弃了传统的图板，并且还与计算机辅助工艺规程设计( c a p p ) 和计算机辅 助制造( c a m ) 相衔接，做到了无纸化生产。 发达国家起重运输机械发展到今天，己经到了比较成熟的地步，其结构形式基 本上都是经过反复优化设计，并经过长期实践检验。随着计算机技术的广泛应用， 许多国外起重机制造商应用计算机辅助设计( c a d ) 系统，以及模块化设计方法，尽量 使用标准件设备，提高组合和安装速度，有助于减少成本。 当前，国外起重机发展有几大特征盯儿踟阳1 ： ( 1 ) 大型化 ( 2 ) 成套化 ( 3 ) 系统化 ( 4 ) 模块化 ( 5 ) 组合化 随着起重机的发展，先进的设计方法与设计理论也必将应运而生。吸收国外的 先进设计技术是国内起重机行业发展的首要任务。 1 1 2 国内起重机设计存在的问题 虽然自从上世纪八十年代中期以来，我国在起重运输机械方面的研究已经取得 了一定的进展，c a d 技术在国内起重机行业得到广泛的应用，但应用水平却参差不齐， 门式起重机结构c a d 技术研究 关键问题是由于“设计”上的差异。国内少数应用水平较高的部门已真正做到了计 算机辅助设计，而还有很多用户仍停留在传统型c a d 应用系统上，对一些非标准起 重机产品设计，仍然是在设计人员的头脑中完成，再利用计算机实现几何信息的处 理，仅仅是把c a d 技术作为一种绘图、描图的工具n 制。 另外，行业内现行的许多计算机辅助设计系统，比较孤立，不够完善，未做到 软件集成。如，有些可视化设计软件，设计完成后不能直接利用o f f i c e 等文档软件 生成计算说明书，或是无法利用a u t o c a d 等绘图软件生成二维工程图纸；有些三维 设计软件，设计完成后，可以生成三维实体模型，但是工厂的工人在实际生产中却 需要二维平面工程图纸。类似这样软件与软件之间，没有以一定的平台进行集成， 缺乏数据交流，形成“数据孤岛 ，或是设计与生产脱节，无法更快、更好的满足生 产的需要。 由于传统型c a d 技术理念落后及大量非标产品的出现，使起重机设计周期延长， 国内制造的起重机交货期明显长于国外先进企业，远远不能适应市场经济的要求， 对整个行业的发展极为不利。因此，在国内大型起重机制造企业中推广c a d 设计系 统是当前行业所面临的首要任务。 1 2 起重机设计中应用的现代设计方法 针对上述情况，国内起重机的发展必须吸收、引进国外的现代设计方法，才能 设计出更符合实际使用工况，更注重功能性、经济性和可靠性的起重机。 现行热门的起重机设计方法主要有n 妇n 2 i ： ( 1 ) 计算机辅助设计( c a d ) 利用计算机快速准确的计算功能、强大的数据处理能力以及便利的绘图功能， 通过人机对话实现产品设计过程的自动化，即c a d 技术。在设计的各个阶段和设计 工作所涉及的各个领域，都试图利用c a d 技术，最大限度的发挥设计人员的设计经 验和创造力。从广义上讲，所有涉及计算机的设计计算方法都可以通称为计算机辅 助设计，其可以看作是所有现行计算机设计方法的总称。比如各种借助于计算机来 实现的现代设计方法，各种图形处理、模型建立、仿真模拟、分析计算等。 ( 2 ) 模块化设计 起重机模块化设计以功能分析为基础，根据市场调查预测的统计数字和积累的 资料、图表、图线规律，在严密的科学理论指导下，将起重机上同一功能的基本部 件、元件、零件设计成具有不同用途、不同性能的模块，这些模块具有相同的连接 2 第一章绪论 要素，可以互换。选用不同模块进行组合可形成各种不同类型和规格的通用或专用 起重机n 引。这种设计方法广泛应用于通用和系列化机械产品的设计。 ( 3 ) 有限元分析 有限元设计是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。它能整体、 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。有限元设计能针对起重机实际使用结构边界条件进 行定量的分析计算，提供丰富的、反映实际工况的计算结果，并配有丰富的动态图 形显示功能。这种方法适用于对模型的理论研究，其对计算机硬件有一定的要求， 计算时间较长，比较难与优化相结合，因为优化设计需要反复计算，而如果每次计 算都需要用有限元分析、验证，那优化设计速度将会变得很慢。 ( 4 ) 优化设计 优化设计是数学规划与计算机技术相结合的产物，是解决复杂设计问题的一种 有效方法。由于起重机设计长期以来一直采用经验类比设计方法，不仅需要花费较 多的设计时间，较长的设计周期，而且只能局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，一般很难得到最 优的设计方案。随着电子计算机技术的发展与应用，可以用优化设计方法快速、有 效的建立设计过程，实现最优方案的自动择取。传统的优化设计往往只针对个别产 品，而非一般产品；而且优化设计往往在计算中离不开人工干预，如初始可行方案 的输入、惩罚因子的选择和优化过程的干预等，影响了优化设计的应用。 ( 5 ) 可靠性设计 可靠性设计就是从安全和经济两方面考虑，事先确定出产品最小失效概率的一 种设计方法，其目的就是在费用允许的条件下，尽量防止产品失效的发生，设计出 高可靠性的产品。这种方法在国外比较流行，但在国内由于缺乏实验数据的支持， 推广步伐缓慢。 ( 6 ) 反求工程设计 目前世界各国都充分利用国际先进科技成果并加以消化吸收，发展自己的新技 术和新产品。反求工程设计是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术 的组合，它通过实物或技术对已有的先进产品进行分析、研究及试验，从而了解其 参数、性能、构造和功能，掌握其关键技术、工作机理和工艺原理，以进行仿制、 改进或发展新产品。这种方法最适合于吸收已有的技术，而不适用于首创。 3 门式起重机结构c a d 技术研究 ( 7 ) 极限状态设计 国外上世纪8 0 年代初把概率论、数理统计、可靠性理论等学科引进到起重机设 计中，出现了以概率统计法为基础的起重机极限状态设计方法。该方法把载荷、材 料性质、构件实际尺寸等均看作基于某种概率分布的统计计算，通过大量实测与调 查得到各基本变量的分布概率及参数，然后应用概率可靠性知识，计算失效概率( 风 险大小) ，从而估计起重机钢结构的安全度。起重机的设计从定值许用应力法发展到 概率极限状态设计法是设计理论的重大发展。国内，随着新起重机设计规范 ( g b t 3 8 1 l 一2 0 0 8 ) 在业内的逐步推广，极限状态设计法也渐渐在行业内得到应用。 ( 8 ) 动态仿真设计 起重机是在复杂工况下工作的大型结构系统，其动态性能易受多种因素的影响， 运动参数与载荷不能用一个简单的数学模型描述。动态仿真设计用计算机对机构与 结构，在各种工况下承受载荷时，进行运行状态的仿真模拟，得到仿真输出参数和 结果，以此来估计和推断实际运行的各种数据，并在对起重机进行动态分析计算时 采用这些数据。这种方法可对现有或是虚拟的模型进行仿真，但设计周期相对较长， 适用于个别产品结构的分析改进，不适合于一般非标产品的快速设计。 综合而言，c a d 设计方法中的优化设计和模块化设计方法是在当前行业中最易推 行的设计方法，也是国内目前设计方法的发展方向和研究方向。 1 3c a d 中的面向对象技术 1 3 1 面向对象方法概述 面向对象方法( o b j e c t - o r ie n t e dm e t h o d ，0 0 方法) 是一种把面向对象的 思想应用于软件开发过程中，指导开发活动的系统方法，是建立在“对象概 念基础上的方法学，是一整套关于如何看待软件系统与现实世界的关系、以什么观 点来研究问题并进行求解、以及如何进行系统构造的软件方法学。对象是由数据和 容许的操作组成的封装体，与客观实体有直接对应关系，一个对象类定义了具 有相似性质的一组对象。而继承性是对具有层次关系的类的属性和操作进行共 享的一种方式。所谓面向对象就是基于对象概念，以对象为中心，以类和继承 为构造机制，来认识、理解、刻画客观世界和设计、构建相应的软件系统。 面向对象主要特征： ( 1 ) 封装性 ( 2 ) 继承性 4 第一章绪论 ( 3 ) 多态性 1 3 2 面向对象设计与面向过程设计 面向对象( o b j e c to r i e n t e d ，0 0 ) 是针对“面向过程 提出，面向过程的方法是将 数据和过程分离为相互独立的两部分，其程序设计的范式是“数据结构+ 算法 ，“过 程”是构造软件的基本组件。面向对象的方法是定义对象及建立对象间的通信关系， 其程序设计的范式是“对象+ 消息”，即程序系统中只有对象和消息两个概念，“对 象”是构造软件的基本组件，消息是对象之间进行通信的唯一手段。 面向对象设计方法将数据( 数据成员) 以及处理这些数据的相应函数( 成员函数) 封装到类( c l a s s ) ，使用类的变量则称为对象。只有该对象的成员函数才可以存取该 对象的数据成员，这样其他函数就不会无意中破坏其内容，从而达到保护和隐藏数 据的效果。 1 4 课题提出的背景及研究意义 1 4 式起重机结构c a d 系统开发的意义 门式起重机是广泛应用于机械工业、工矿企业、港口码头等领域的起重运输机 械，在国民生产中占有重要的位置。目前，在门式起重机的结构设计过程中，由于 其结构相对定型，一般工厂设计时只做简单验算，当用户对起重机的基本参数需求 相近时，则选择将截面尺寸类比放大，导致截面尺寸越选越大，使得起重机臃肿不 堪，材料浪费严重，既不经济，也不合理。门架作为门式起重机的主要承载构件， 其自重在整机重量中占有相当大的比重，是起重机制造的主要成本。起重机向轻型 化，节能型发展所面临的首要问题就是如何减少结构自重，而又不影响结构性能。 为了缩短设计周期、尽量减少结构自重，有些企业应用了一些计算机辅助设计软件， 但由于软件之间没有集成，无法传递、共享数据；而人工传递数据又容易丢失数据， 无法保证数据的完整性，在设计、生产中发生错误，甚至事故。为了适应社会发展 要求，满足市场竞争的需要，对通用门式起重机结构c a d 系统软件的开发迫在眉睫。 丌发c a d 系统，是为了让设计人员减轻工作量，提高设计精度，保持数据的完整性， 减少设计中的人为失误，缩短设计、生产的周期。 目前，通用的金属结构设计理论主要有两种许用应力设计法和极限状态设 计法。虽然极限状态设计方法已逐步在行业内推行，但在国内其尚缺乏大量应用实 例和研究数据的支持，因此，本论文依据许用应力设计法为理论基础，开发门式起 重机结构c a d 系统。 5 门式起重机结构c a d 技术研究 1 4 2 门式起重机结构c a d 系统开发的技术路线 本课题中的研究成果很大程度上要满足企业的需要，从前文的论述中可以看出， 将优化设计、模块化设计、可视化设计等先进设计思想引入计算机辅助设计( c a d ) 中，并以此开发一套c a d 软件系统是目前最符合企业需求的软件开发路线。本文以 此路线进行软件系统开发。 在开发该软件时，必须对研究对象( 通用门式起重机) 的结构作合理的分析， 建立正确的计算模型，并对软件系统进行细致的分析，建立正确的软件结构。 在各种开发工具中，采用可视化程序设计语言v i s u a lc + + 6 0 ，是因为相对于其 他开发工具如v b a 、v b 等，它的功能更强大。所以，本课题的技术路线确定为以w i n d o w s 操作系统作支撑系统，以v c + + 6 0 为开发及软件集成平台，并对o f f i c e 2 0 0 3 进行二 次开发，使本系统成为一个集优化设计、可视化设计、二维参数绘图、三维实体建 模、自动化文档为一体的计算机辅助设计系统，为用户提供优化设计、可视化设计 两种并行的设计方法。本文以双梁a 型门式起重机为研究对象。 具体方案如下： 1 对软件系统进行整体分析，将具体开发工作分为多个模块，各模块功能相互 独立。建立基于面向对象的程序结构，并将其作为软件集成平台。 2 分析研究对象的结构特点，确立结构尺寸链，完善尺寸约束，建立几何尺寸 计算模块，实现尺寸的相互驱动和制约。 3 对研究对象的结构进行深入分析，建立正确的计算模型，并将长期设计经验 和理论计算而形成的公式、图表、设计手册等作为理论依据，根据不同工况，对研 究对象进行内力计算。以常用的双梁a 型门机支腿计算为例，本课题对其建立更符 合实际结构的三次超静定模型，并进行内力分析和强度、稳定性校核。将计算步骤、 公式转换成程序代码，并封装成结构验算模块。将该模块作为优化设计( 优化方法 由同课题组其他人员完成) 的约束条件、目标函数和可视化设计的验算部分。 4 实现文档自动化有多种方式，本课题以v c + + 6 o 为平台，以o f f i c e 2 0 0 3 为支 撑软件，利用c o m 接口技术，通过操作o f f i c e 2 0 0 3 的宏代码，对w o r d 进行二次开 发，以实现设计说明书的自动生成。使用此种文档自动化方式，比t x t 文档方式、 a u t o c a d 文档方式等更适合生成图文并茂、兼容性强的自动文档。 5 其他模块的建立工作由本课题组的其他人员完成。如利用生成s c r 命令文 件方式，完成参数绘图模块的建立等。 6 各个模块建立完成后，具有相互独立的可执行文件，本课题将各可执行文件 6 第一章绪论 集成于总框架中，通过总框架实现对各可执行文件的调用及数据传递，完成软件的 集成。 本课题的研究是充分利用计算机软件技术，把优化设计、参数化设计、可视化 设计、自动文档等技术相结合的一种探索，将软件技术中的前沿思想应用在工程设 计c a d 软件开发中，开发一种实用的专业机械c a d 软件，对于开发其他专业机械c a d 软件具有一定的理论意义和实用价值。 1 5 软件结构与总框图 通过对门式起重机的总体分析，把该系统软件开发工作大致分为七部分总 框架的构建及软件集成、结构理论分析与验算模块、可视化设计模块、优化设计模 块、三维建模模块、二维参数绘图模块、自动文档模块。其中，总框架的构建及软 件集成包括：对c a d 系统软件的整体分析，数据文件及数据结构的确定，程序结构 的设计及对各模块的集成等。 结构理论分析与验算包括了几何尺寸计算模块和结构验算模块。 几何尺寸计算模块主要是实现对几何约束关系的提取、表达约束求解以及构造 参数化几何模型的功能。其为结构提供尺寸约束。 结构验算模块是以通用双梁a 型门式起重机为研究对象，进行力学模型分析， 然后将载荷、内力、强度、刚度、稳定性等计算编制成一个模块，同时，确立优化 的目标函数和约束条件。结构验算模块为结构提供功能约束。 可视化设计模块是通过程序所建的界面将双梁a 型门式起重机的各个视图及参 数直观地反映给用户，用户可以根据自己的需要直接修改可视化界面中的参数。每 次参数改变后，程序自动调用几何尺寸计算模块来确定计算所需的其它尺寸参数， 并将参数传至结构验算模块中，然后通过结构验算模块来验证是否符合强度、刚度、 稳定性要求，如果不符合要求，用户可对参数做进一步调整，直至得出满意结果； 如果符合要求则将计算后的数据保存至数据文件中，为参数绘图、自动文档说明书 等模块提供数据。 优化设计模块是对通用双梁a 型门式起重机的主要截面尺寸进行优化，即板厚、 板宽、板高等进行优化，最终确定优化结果，但整个优化设计模块中所需的目标函 数及约束条件都由结构验算模块提供，没有结构验算模块，优化设计模块将无法对 该系统软件产生任何作用。 7 门式起重机结构c a d 技术研究 得到优化结果后，就可 以进行二维参数绘图及三 维建模，如果用户需要还可 以输出计算说明书。这样设 计软件结构，使软件系统构 造合理，能真正符合行业内 的设计需求。 综上所述，本软件系统 框图如图l 一1 。本软件系 统提供了可视化设计和优 化设计两种设计方式。在 此，以可视化设计过程为例 来介绍本软件系统的参数 化设计流程。当用户选择可 视化设计方式后，弹出可视 化设计界面，在此界面中用 户需输入必要的原始参数， 系统调用几何尺寸计算模 圈l l 软件系统总框图 f i g1 - 1m a i nf i a m e o f t h es o f t w a r es y s t e m 块，对输入的参数进行合理性约束，并从数据文件中读取相应的工艺参数，然后通 过模块内部的计算获得构造一台完整的门式起重机金属结构部分所需的全部尺寸参 数，之后，系统调用结构验算模块对各尺寸参数进行验算，判断其是否满足现行起 重机设计规范对起重机强度、刚度、稳定性等方面的要求；如果满足要求，用户可 以通过调用参数绘图模块、三维建模模块以及自动文档模块，根据几何尺寸计算模 块所提供的详细尺寸参数，自动生成工程图纸、三维实体模型和根据结构验算模块 中所得出的计算数据生成计算说明书；如果不满足要求，用户可根据验算结果调整 输入参数，重新验算，直到设计出符合要求的产品。 8 第二章门式起重机金属结构设计理论 第二章门式起重机金属结构设计理论 2 1 金属结构设计方法概述 金属结构即钢结构，与其它结构相比，有以下优点：重量轻、宜用于大跨度结 构；较稳妥可靠；较符合工厂制造、工地拼装的发展方向等。鉴于以上优点，钢结 构的应用范围大致为：中等跨度及大跨度的铁路及公路桥梁，还有军用桥；大跨度 屋盖结构；重型厂房的主要承重屋架；高耸结构和高层建筑；起重运输机械及大型 建筑机械的钢骨架等。而对于从事重型机械行业的设计人员，钢结构设计方法显得 尤为重要。好的设计方法对保证钢结构的可靠性、节省能耗、提高其经济性能和市 场竞争力起着至关重要的作用口们。 各类起重机的金属结构各不相同，它们都分别由许多构件组成，而构件则由杆 件、板件或壳体组成。按受力情况这些构件分为：轴心受拉构件和轴心受压构件； 受弯构件；拉弯构件和压弯构件；受扭构件；弯扭构件及其它构件等。 根据钢材的特性及起重机金属结构件的力学特点，并按照起重机设计规范 ( g b t 3 8 1 1 - 2 0 0 8 ) 中的规定，起重机结构设计计算可采用许用应力设计法。 2 2 许用应力设计法 2 2 1 许用应力设计法基本概念及原理 许用应力法是使外载荷在结构及连接接头中产生的应力和变形，不超过结构及 连接接头的许用承载能力( 强度和稳定性的抗力) 的设计方法。其设计过程为f 3 l j ： 首先计算各指定载荷z ，并以适当的动力系数i 增大；然后根据载荷组合表进 行组合，得出组合载荷只。用此组合载荷f 计算构件的内力来确定合成的载荷效应 瓯。再根据作用在构件或部件上的载荷效应( 内力) 计算出应力面，并与由局部效 应( 内力) 引起的任何应力瓦，相组合，得到合成设计应力面。最后以合成设计应力 q 与许用应力a d m i t 相比较。许用应力a d m o - 是用强度系数，厂去除规定的强度月而 得到。强度系数_ ，的取值范围列于表2 1 中。在具有高度危险的场合，还要再除以 毛 一蜘：生 6 l 。y i 。y 。 图2 - 1 许用廊力设计法的典型流程图 f i g 2 一lf l o wc h a r to f t h ea l l o w a b l es t r e s sd e s i g nm e t h o d 9 门式起重机结构c a d 技术研究 高危险度系数7 一才能得到最后的许用应力。在许用应力设计法中，当高危险度系数 以= 1 时，安全系数n 就是强度系数九；而对于高度危险情况，安全系数刀= y 。圪。 许用应力设计法的典型流程图如图2 1 ： 2 2 2 常用许用应力值的确定 1 ) 拉伸、压缩、弯曲许用应力( 即：基本许用应力) 仃 基本许用应力包括拉伸、压缩、弯曲的许用应力，可按以下两种情况计算： a ) 对于仃。吒 0 7 的钢材，基本许用应力 o 为钢材屈服点盯，除以安全系数刀， 见表2 1 。 表2 - 1 安全系数刀和钢材的基本许用应力【仃】 t a b 2 一ls a f e t yf a c t o rna n db a s i ca l l o w a b l es t r e s s 【仃】o fs t e e lp r o d u c t s 载荷组合 abc 安全系数n 1 4 81 3 41 2 2 基本许用应力 o - 0 。1 4 8口。1 3 4口。1 2 2 n m m 2 b )对于蕊瓯o 7 的高强度钢材，基本许用应力 仃 按式( 2 1 ) 计算： b 】_ 坠墅堕堕 ( 2 1 ) 式中：吼钥材的屈服点。当钢材无明显的屈服点时，l ro - o ：为吒( o - o ：为钢材标 准拉力试验残余应变达0 2 时的试验应力) ，单位n m m 2 ，即m p a 下同： 钢材的抗拉强度，单位n m m 2 ； 聆与载荷组合类别相关的安全系数，见表2 - 1 。 2 ) 剪切许用应力 剪切许用应力，按式( 2 2 ) 计算： t , l - 男 c 2 乏) 式中：k l 一剪切许用应力，单位肌聊z ； 【仃】_ 一与载荷组合类别相应的基本许用应力，单位m 聊2 。 3 ) 端面承压许用应力 端面承压许用应力，按式( 2 3 ) 计算： 第二章门式起重机金属结构设计理论 式q | ：【o o 】端面承压许用应力，单位n m m 2 ； d 1 与载荷组合类别相应的基本许用应力，单位n m m 2 。 23 门式起重机简介 门式起重机是使用较广泛、拥有量较大的一种轨道运行式起重机，其额定起重 量从几吨到几百吨，可在固定跨度及有效悬臂范围内搬运和装卸物料，具有动作间 歇性和作业循环性的特点。门式起重机按主要用途分为：通用、电站、造船门式、 岸边集装箱装卸桥、桁架装卸桥等。 嘞修1 趟 藤 驾点 图2 - 2 门式起重机简囤 f i 9 2 - 2s k e t c ho f t h e g a n t r y 门机一般由大车运行机构、起升机构、小车运行机构组成，而其金属结构部分 门架，是其主要的承载结构。其与桥式起重机形状的区别也就在金属结构部分 ( 门式起重机的门架比桥式起重机的桥架多了支腿和横粱) 。通用的箱形粱a 型门机 由两根箱形主粱和四根箱形支腿及上、下横梁刚接组成，主梁多采用偏轨箱形梁， 有时也采用中轨、半偏轨箱形粱。起升机构用来垂直升降物品；起重小车用来带着 载荷作横向运动；门架和大车运行机构用来使起重小车和物品作纵向移动；以达到 在小车两端极限位置内和起升高度内组成的三维空间里搬运和装卸货物。门式起重 机结构如图2 - 2 。 门式起重机门架型式繁多，按主粱数目可分为单粱门架和双梁门架。按其支腿 的形状可分为a 型，u 型，l 型，c 型等。按其结构可分为型钢梁式门架、箱彤结 构门架、桁架式门架。其中，箱形梁式门架具有通用性强、抗扭剐度好等优点本 课题选用箱形结构门架作为研究对象。 1 1 门式起重机结构c a d 技术研究 在设计门式起重机的门架结构时，必须满足以下基本要求： 1 门架能满足强度、刚性和稳定性的要求。 2 门架自重尽可能轻，以有效的降低成本。 3 便于成批生产和尽量使得门架外型美观。 典型的双梁门式起重机的门架主要由主梁1 、支腿2 、下横梁3 、上横梁4 、马 鞍5 等构件组成( 图2 3 ) 。 ，马鞍5 上横粱4 卑|b e f j j 、 、 一。 呈梁， 1 长悬臂i 0 、支腿2 下横粱3 跨度l 皇 图2 - 3双刚性支腿的门式起重机示意图 f i g 2 3d o u b l er i g i dl e go ft h eg a n t r yc r a n e 2 4f - j 式起重机结构设计计算( 以支腿三次超静定刚架为例) 本文研究箱形结构的通用双梁a 型门式起重机。为了保证门式起重机的金属结 构具有足够的强度、刚性和稳定性，需对其进行结构设计计算。所谓结构设计计算 就是在外载荷作用下对各危险截面上各危险点进行力学分析，计算其应力、变形等， 因此，将设计计算过程分为载荷计算、内力计算、强度计算、稳定性计算、刚度计 算等。可见结构设计是整个设计过程的重中之重，其是金属结构承载能力的保证。 本部分所介绍的设计步骤是建立结构验算模块的理论基础。 门式起重机的结构设计，主要分为主梁设计、支腿设计、下横梁设计等部分， 现以支腿结构设计计算为例2 r h 3 。： 2 4 1 载荷计算与组合 由于支腿是整个门架结构的支撑部分，几乎所有门架结构的载荷都会反映在支 腿上，如在计算支腿平面内力时，主梁的自重载荷，惯性载荷，起升载荷等做为支 腿平面的外载荷参与计算。 1 2 第二章门式起重机金属结构设计理论 门架结构所承受的载荷主要有：固定载荷、移动载荷、水平惯性载荷、扭转载 荷及自然载荷等。 2 4 1 1 固定载荷 固定载荷即自重载荷，它分为集中载荷忍和均布载荷只两种。对于箱型梁结构而 言，梁、轨道等组成的门架结构的自重属于均布载荷。司机室，运行机构重量等可 看作集中载荷。 2 4 1 2 移动载荷 由起升载荷尼= ( 7 + ) g 与小车重量珞= m x g 换算得到的小车轮压为移动集 中载荷，通过轨道作用于门式起重机的主梁上。小车轮压按小车架中受力最大的a b 梁分析。 丢土 占 弓- p ，l l | 一 乞j 【 - l 6 l 一 一 p j 图2 4 小车轮压的计算 f i g 2 4c a l c u l a t i o no f t r o l l e yw h e e lp r e s s u r e 轮压计算模型如图2 - 4 所不。当小车轮距6 不大时，常用轮压合力p = p j i + p j 2 来 计算。 满载小车静轮压为： 铲o 5 p q ( 1 一扣( 争虽鲁( 2 - - 4 ) p j 2 0 5 忍軎+ 哇+ 素) ( 一鲁) ( 2 5 ) p = 尸，l + 只2 ( 2 川) 式中：尼起升载荷； 乞小车重量； b 小车轮距； k 小车轨距； 1 3 门式起重机结构c a d 技术研究 p 小车重心f 点的位置( 重心距中心的距离) 。 2 4 1 3 动力效应系数 ( 1 ) 起升冲击系数翻 当物品起升离地时，或将悬吊在空中的部分物品突然卸除时，或悬吊在空中的 物品下降制动时，起重机本身的自重将因出现振动而产生脉冲式增大或减小的动力 响应。此自重振动载荷用起升冲击系数幼乘以起重机的自重载荷来考虑，为反映此 振动载荷范围的上下限，该系数取为两个值：铆= l + t x ，o 仅o 1 。 ( 2 ) 起升动载系数仡 结构承受的起升动载荷另或动位移西与起升静载荷易或静位移磊之比值称为 起升动载系数仡，它表示相对起升静载荷增大的程度。采用g b t 3 8 11 起重机设计 规范的公式( 2 7 ) 确定： 仍= 仍m i n + 屈v q ( 2 7 ) 式中：仇起升动载系数，由式( 2 7 ) 计算得出，其最大值伫m “对建筑塔式起 重机和港口臂架起重机等起升速度很高的起重机不超过2 2 ，对其他起重机不超过 2 0 ： c p 2 m i n 与起升状态级别相对应的起升动载系数的最小值； 屈按起升状态级别设定的系数； 稳定起升速度，单位为m s 。与起升机构驱动控制型式及起升操作方法 有关。其最高值v q m 积发生在电动机或发电机空载起动( 相当于此时吊具、物品及完 全松弛的钢丝绳均放置于地面) ，且吊具及物品被起升离地时其起升速度已达到稳 定起升速度的最大值。 ( 3 ) 空中突然卸载冲击系数仂值由式( 2 8 ) 给出： 仍= 1 一竺( 1 + 屈) ( 2 - 8 ) n 式中：4 舴一然卸除部分起升质量，单位为妇； 聊总起升质量，单位为堙； 居一系数，对用抓斗或类似的慢速卸载机构的起重机，屈= o 5 ；对用电磁 盘或类似的快速卸载机构的起重机，局= 1 0 。 ( 4 ) 运行冲击系数红 对于轨道接头状况一般，起重机通过接头时会发生垂直冲击效应，可用运行冲 击系数似乘以起重机的自重载荷和起升载荷之和来计算，运行冲击系数仇可由式 1 4 第二章门式起重机金属结构设计理论 ( 2 9 ) 确定： q 0 4 = 1 1 + o 0 5 8 v y 、h ( 2 9 ) 式中：仇运行冲击系数； 1 ，- 运行速度，单位为m s ； 加_ 勒道接头处两轨面的高度差，单位为m n l ，通常安装公差要求办l m m 。 ( 5 ) 驱动加速动载系数仍 起重机或小车在水平面内纵向或横向运行起( 制) 动时，起重机或小车自身质 量和起升质量的水平惯性力，按该质量与运行加速度乘积的仍倍计算，但不大于主 动车轮与轨道之间的粘着力，此时取仍= 1 5 ，用来考虑起重机驱动力突变时对结构的 动力效应。这些惯性力都作用在各相应质量上，挠性悬挂的起升质量视为与起重机 刚性连接。 2 4 1 4 水平惯性载荷 大车运行机构起动或制动时引起水平方向的惯性载荷，其方向与运行方向相同 或相反。其主梁所受水平惯性载荷简图如图2 - 5 所示： ， l 一7 i ! ll llll lll l | l lirji lil l p 窖 l | l ；i l lli l i llill l 1 2 1-，- 叫】 卜1 ：j 图2 - 5 水平惯性载荷作用简图 f i g 2 5h o r i z o n t a li n e r t i al o a de f f e c ts k e t c h 其中只为满载起重小车的质量引起的水平惯性载荷，以集中力的方式在跨度中 问通过小车与轨道侧向接触而传递给主梁；g 。为主梁部分的质量引起的水平惯性载 荷，并且以均布载荷方式作用在主梁上。 大车运行起、制动时，由小车质量、起重量与吊具质量对一根主梁产生的水平 移动惯性载荷按以下公式之一计算： 石2 l 5 m 口 ( 2 1 0 ) 1 5 门式起重机结构c a d 技术研究 昂= 专所g 鲁 。2 一。) 式中：m 小车质量、起重量与吊具质量之和的一半； 口大车运行平均加( 减) 速度； g 重力加速度； 大车主动车轮数； n 大车车轮总数。 水平惯性力匕可分成与轮压位置相对应的两个水平力作用于主梁上，由于水平 力值不大，通常也可