（机械设计及理论专业论文）臂桥架变幅系统金属结构力学性能分析.pdf

武汉理i ：人学硕十学位论文 摘要 港口岸边集装箱起重机作为码头前沿进行集装箱装卸作业的主要设备，其 性能的优劣在很大程度上决定了集装箱码头的装卸效率，而变幅系统设计是提 高集装箱起重机装卸效率的一个重要环节，其优劣还决定性地影响整机的使用 性能、可靠性和经济性。目前，岸边集装箱起重机主要有两大类型桥式起重机 与门座起重机。桥式起重机装卸效率高、工作范围大，但是造价高。门座起重 机装卸效率低、工作范围小，但是造价和维护成本低。 臂桥架起重机结合了桥式起重机和门座起重机的优点，装卸效率高、工作 范围大，而且造价和基础土建费用低，其优越性非常显著。其中臂桥架变幅系 统是该起重机的主要特征和主要工作机构，其金属结构的刚度、强度、稳定性 等力学性能对整机的j 下常运转有直接影响。所以在起重机总体设计完成之后， 需要确定出既能满足其工作要求，经济性又较优的金属结构形式。 为找出臂桥架的设计方法，本文以j q 5 0 2 5 臂桥架岸边集装箱起重机为研究 对象，分析了该臂桥架起重机变幅系统的载荷和工况，并根据总体设计的要求 提出了三种金属结构型式的设计方案。采用a n s y s 工具对每一种方案的结构都 进行分析。根据分析结果研究不同工况下载荷对臂桥架结构的影响，总结臂桥 架设计规律，并最终确定各方案结构型式的具体尺寸。最后从强度、刚度、重 量等方面比较这三种方案结构形式的性能，确定性能较优的结构形式及其参数。 臂桥架岸边集装箱起重机是一种新型的起重机，其在各种工况下的受力情 况也和以往的起重机有很大不同，而且目前还没有关于臂桥架起重机金属结构 方面的设计方法。臂桥架结构设计是一个全新的课题。本文查阅了文献，提出 多种臂桥架结构设计方案，通过不断计算和反复修改，总结出了臂桥架金属设 计规律，并完成了臂桥架金属结构设计，提出了这类起重机的设计方法。 臂桥架起重机的设计完成具有十分重大的创新意义，它具有其他起重机无 法替代的优点，必定能在市场上占据一定的份额，它的出现也必然会改变港口 装卸设备和装卸工艺的传统格局。 关键词：臂桥架岸边集装箱起重机，变幅系统，金属结构，a n s y s a b s t r a c t p 0 r tq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e sa r et h em a i nc o n t a i n e r - h a n d i n gg e a r si nw h a r f , t h e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h ec a p a b i l i t i e sh a v eg r e a td e e pi n f l u e n c eo nl o a d i n g a n du n l o a d i n ge f f i c i e n c yo fc o n t a i n e rc r a n e t h ed e s i g no fl u f f i n gg e a ri sac r u c i a l p r o c e d u r e t o i m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o fc o n t a i n e rc r a n e ，t h e a d v a n t a g e a n d d i s a d v a n t a g e h a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h em o v e m e n tc a p a b i l i t y ，r e l i a b i l i t y a n d e c o n o m v0 ft h ec r a n ea saw h o l e n o wt h e r ea r et w om a i nk i n d so fp o r tq u a y s i d e c o n t a i n e rc r a n e s ：t h eb r i d g ec r a n e sa n dt h ep o r t a lc r a n e s t h eb r i d g ec r a n eh a sh i g h w o r k i n ge f f i c i e n c ya n dl a r g ew o r k i n gr a n g e b u th i g hc o s t ，w h i l et h ep o r t a lc r a n e sa r e i nt h eo p p o s i t ew a y t h ei i b b r i d g ec r a n eh a so b v i o u ss u p e r i o r i t yw i t hh i g he f f i c i e n c y , l a r g ew o r k i n g r a n g ea n dl o wc o s tw h i c ha r et h ea d v a n t a g e so fb o t hb r i d g ec r a n ea n dp o r t a l c r a n e t h ej i b b r i d g el u f f i n gg e a ri st h et y p i c a lc h a r a c t e ra n dm a i nw o r k i n gm a c h i n eo ft h e ji b b r i d g ec r a n e t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e so fi t sm e t a ls t r u c t u r e ，s u c ha ss t i f f n e s s ， s t r e n g t ha n ds t a b i l i t y , h a v ea d i r e c ti n f l u e n c eo nw h o l ec r a n e sf u n c t i o n s oi t i s i m p o r t a n tt od e s i g nap r o p e rm e t a ls t r u c t u r ew h i c hn o to n l yc a nm e e tt h en e e do f w o r k b u ta l s oh a sh i g he c o n o m ya f t e rt h ep r o j e c td e s i g no ft h ec r a n e f i n i s h e d f o rt h ep u r p o s eo ff i n d i n gt h ew a yo fm e t a ls t r u c t u r ed e s i g no f t h ej i b _ b r i d g el u f f i n g g e a r f i r s t ，t h ep a p e rt a k e st h ej q 5 0 2 5j i b - b r i d g ec r a n ea st h ee x a m p l ef o rd e s i g na n d c a l c u l a t e st h ef o r c e sl o a d e do ni t n e x t ，t h i sp a p e rg i v e s3d i f f e r e n tk i n d so fs t r u c t u r e f 0 哪so ft h ei i b - b r i d g el u f f i n gg e a r ，a n dt h e i ro r i g i n a lg e o m e t r i c a ls i z e sa l s og i v e n a f t e rt h a t t h ef e a m o d e l so ft h e s ed i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r eb e e nb u i l ta n da n a l y z e d b vu s i n gt h ef a m o u sc a es o f t w a r e ，a n s y s t h e n ，m o d i f yt h eg e o m e t r i c a ls i z e so f e a c hs t r u c t u r ea c c o r d i n gt ot h er e s u l t so b s e r v e dt h o u g ha n s y s ，m a k i n gs u r ee v e r y s t r u c t u r ec a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h e i rm e c h a n i c sp r o p e r t i e s f i n a l l y , c o m p a r e t h em e c h a n i c sp r o p e r t i e so fe a c hs t r u c t u r e f i n d i n go u tw h i c ho n eh a st h eb e s tq u a l i t y a n dc h o s ei ta st h ef i n a lp l a n t h ei i b b r i d g ep o r tq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n ei sab r a n d n e wc r a n e ，t h ef o r c e sl o a d e d l l 武汉理i ：人学硕十学位论文 o ni ta r ev e r yd i f f e r e n tt h a no t h e rc r a n e s ，a n dn o wt h e r ea r en ok n o w l e d g eo nh o wt o d e s i g nt h i sn e wc r a n e s ot h eg r e a t e s ti n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri sh a v i n gd e s i g n e dt h e c r a n es u c c e s s f u l ，a n df o u n daw a yo nh o wt od e s i g nt h el u f f i n gg e a ro ft h i sk i n d c r a n e t h ea c c o m p l i s h m e n to ft h ej i b b r i d g ec r a n ei sas i g n i f i c a n ti n n o v a t i o n i tc a n tb e s u b s t i t u t e db yo t h e rk i n d so fc r a n e s ，a n di t se m e r g e n c ew i l lr e s u l ti nt h ec h a n g eo ft h e t r a d i t i o n a ls i t u a t i o no ft h ec o n t a i n e r - h a n d i n ge q u i p m e n ta n dp r o c e d u r e k e yw o r d s ：ji b - b r i d g ep o r tq u a y s i d ec o n t a i n e rc r a n e ，l u f f i n gg e a r , m e t a l s t r u c t u r e ， a n s y s i i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：毽也日期盘鳖：2 ：空6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：超导师签名： 注：请将此声明装订在论文的目录前。 武汉理i ：人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 随着环球国际集装箱运输的丌展和集装箱船舶的更新换代，为集装箱运输 而建立的配套设施和各种装卸搬运机械也得到了相应的发展。集装箱运输已促 成一场运输革命，不断改变着港口装卸机械设备和装卸工艺的传统格局。岸边 集装箱起重机作为集装箱专用码头前沿装卸集装箱船舶作业的大型起重设备， 其性能的优劣在很大程度上决定了集装箱码头的装卸效率。目前，岸边集装箱 起重机主要有两大类型：桥式起重机与门座起重机。岸边集装箱桥式起重机由 于装卸效率高、工作范围大已成为岸边集装箱起重机的主要机型，而门座起重 机虽然在重量、成本以及兼作其他用途有一定的优势，但对于码头前沿集装箱 装卸作业，其性能远不及岸边集装箱桥式起重机。由于岸边集装箱桥式起重机 的重量、成本较高，码头承载能力要求较高，对于吞吐量不大的中小港口和内 河港口，尚需发展一种装卸效率较高、设备投资成本较低的岸边集装箱起重机。 岸边臂桥架集装箱起重机正是结合门座起重机和桥式起重机优点，在门座起重 机基础上，对其变幅系统进行彻底改造，以达到大幅提高其装卸效率的目的， 使其适应岸边集装箱装卸作业的要求。其中臂桥架变幅系统是该起重机的主要 特征和主要工作机构，其金属结构的刚度、强度、稳定性等力学性能对整机的 正常运转有直接影响。 所以在起重机总体设计完成之后，需要确定出既能满足其工作要求，经济 性又较优的金属结构形式。本课题的目的就是运用a n s y s 工具，选取几种不同 的金属结构形式进行力学性能分析，确定各结构形式的具体尺寸。并比较各结 构形式的经济性，最终确定综合性能较优的结构形式及其参数，总结臂桥架变 幅系统金属结构的设计方法。 武汉理i ：人学硕十学位论文 1 2 国内外研究动态 1 2 1 集装箱起重机的发展动态刚 集装箱起重机是为集装箱运输而建造的专用装卸搬运机械，主要安装在码 头、货场等水路、铁路和公路中转站，包括岸边集装箱起重机、集装箱龙门起 重机和集装箱装卸桥等。岸边集装箱起重机作为集装箱专用码头前沿装卸集装 箱船舶作业的大型起重设备，其性能的优劣在很大程度上决定了集装箱码头的 装卸效率。1 9 5 8 年美国马特松和帕色科公司联合研制了世界上第一台岸边集装 箱起重机。6 0 年代中期，美国帕色科公司就丌始大量生产制造这种岸边集装箱 起重机，并很快被世界上很多集装箱装卸公司和集装箱码头所采用，成为码头 前沿装卸集装箱的一种基本机型。到7 0 年代中期，西欧、日本等主要厂商从争 相仿造发展到了独立设计制造这种岸边集装箱起重机，并很快形成了批量生产 能力。8 0 年代初期各国的集装箱制造厂商研制了轻型结构的岸边集装箱起重机， 这种起重机特别适合于有大量的由件杂货码头改建的集装箱码头上使用。8 0 年 代中期到9 0 年代以来，随着环球国际集装箱运输的发展和第四代“超宽巴拿马 型”集装箱船的出现，在美国、西欧、同本等国家地区的最大集装箱港口使用了 新一代大型岸边集装箱起重机。我国从1 9 7 5 年开始着手进行集装箱装卸搬运机 械的研制工作，随着我国的港口机械制造工业发展迅速，上海振华港机公司己 成为当今世界上最大的港口装卸机械的生产企业，在全世界所有的国际竞争性 招标中所向披靡，按订单排列，己连续六年在此行业位居世界第一。该公司为 法国诺曼底勒阿弗港的集装箱码头生产的双小车岸边集装箱起重机，是当今世 界最新型的现代化高效岸边集装箱装卸机械，也是当前世界最大的起重机。 近年来，为适应集装箱行业发展出现的新型集装箱起重机类型主要有：双 小车岸边集装箱起重机、双4 0 英尺箱的岸边集装箱起重机、4 0 英尺箱双小车岸 桥、折臂式集装箱起重机和超巴拿马型集装箱起重机等等。其中双小车岸边集 装箱起重机生产率高，它虽诞生于自动化码头，但也可在常规码头应用，鉴于它 无可比拟的优势，会在常规码头得到更大的发展；双4 0 英尺箱的岸边集装箱起 重机是z p m c 为适应船舶大型化要求快装快卸而最新开发的产品，如果码头接 卸工艺作相应改进，它可以提高生产率5 0 ；而4 0 英尺箱双小车岸桥是在双4 0 英尺箱岸桥和双小车岸桥的基础上，为适应船舶大型化要求快速装卸而新丌发的产 2 武汉理f ：人学硕十学何论文 品，以装卸4 0 英尺箱为例，理论计算其平均生产率每小时可达9 0 1 0 0 自然箱。 岸边集装箱起重机是集装箱船与码头前沿之间装卸集装箱的主要设备。个 别码头还利用岸桥的大跨距和大后伸距直接进行堆场作业。岸桥的装卸能力和 速度直接决定生产率，因此岸桥是港口集装箱装卸的主力设备。 目前，岸边集装箱起重机主要有桥式起重机与门座起重机两大类型。桥式起重 机由于装卸效率高、工作范围大己成为岸边集装箱起重机的主要机型，而门座 起重机虽然在重量、成本以及兼作其他用途有一定的优势，但对于码头前沿集 装箱装卸作业，存在工作速度低、工作范围小、工作方式落后和起升卷绕系统 不适应集装箱自动吊具等局限性。 1 2 2 门座起重机装卸集装箱的局限性小2 1 门座起重机用于集装箱装卸时，主要具有以下的局限性： 1 工作速度：门座起重机的工作速度相对于岸边集装箱起重机而言较慢。门 座起重机在空载时起升( 下降) 速度约为满载起升( 下降) 速度的2 倍。空载 时速度约为5 0 m m i n ，变幅速度约为6 0 m m i n ，回转速度约为l r p m 。而岸边集 装箱起重机的起升速度满载时约为5 0 m r a i n ，空载时约为1 2 0 m r a i n ，岸边集装 箱起重机小车行走速度一般为1 5 0 m r a i n 。 2 工作范围：门座起重机的最大幅度通常在4 0 m 左右，岸边集装箱起重机的 外伸距最大可达7 0 m 以上。门座起重机的最大幅度r m a x 受到限制不能太大， 而最小幅度r m i n 而却不小，所以工作范围较小。而桥式起重机工作范围较大。 3 工作方式：门座起重机由挂箱、起升、变幅、回转、下降、脱箱以及空载 返回构成一个工作循环，完成集装箱在船舶至起重机轨道前方的装卸箱处的运 动。起升、变幅、回转为工作性机构，运行机构为非工作性机构，运行机构主 要用于起重机对集装箱在船长方向的对位。有的门座起重机装有吊具旋转机构。 在臂架回转的同时，吊具旋转机构使得集装箱及吊具反向等速旋转，始终保持 集装箱的长度方位于起重机轨道平行。但是与桥架类起重机相比，多了一个回 转的工作环节，故要求司机具有较高的操作技能。 4 吊具：通用型门座起重机通常采用集装箱简易吊具进行吊箱作业。吊具悬 挂在吊钩上，作业时将吊具的选锁对准集装箱顶部的四个角配件孔，有工人牵 动拉索驱动选锁机构，使选锁与角配件接合锁紧。这种吊具结构简单，自重轻， 但需辅助工人配合，生产效率低，但由于单点起吊，集装箱在吊装中容易产生 3 武汉理j ：人学硕十学位论文 倾斜、打转的现象。而多用途门座起重机虽然配备集装箱专用吊具，但是其起 升机构设计复杂。而岸边集装箱起重机的起升机构设计相对简单得多。 针对原有机型的不足与现在集装箱作业要求之间的差距，各专家学者们分 别针对其中的不足进行改进与创新。其中变幅系统是起重机的重要工作系统， 在此方面的分析与研究较多。 1 2 3 起重机变幅机构发展动态m 2 4 1 改变起重机幅度的型式通常分为小车式和摆动臂架式两种，小车式变幅装 置是通过起重小车在水平臂架旋杆上的移动改变起重机的幅度。建筑用的塔式 起重机常采用运行小车式变幅。摆动臂架式变幅装置是通过驱动机构带动臂架 绕其铰轴进行俯仰运动来改变起重机的幅度。在港口装卸设备中门座起重机、 浮式起重机以及轮胎起重机等，都是采用这种变幅型式。 变幅系统是港口门座起重机最重要的组成部分。一般来说选定了变幅系统 也就决定了门机的基本型式。变幅系统的优劣还决定性地影响整个门机的使用 性能、可靠性和经济性。港口门机的变幅系统的基本型式是四连杆箱形焊接结 构的组合臂架，使象鼻梁端点走水平位移，采用活配重平衡组合臂架的自重， 齿条式或多头螺杆式的变幅驱动装置。 我国涉足港口起重机的设计起始于1 9 6 0 年，第一批机型是由前苏联专家指 导、上海港口机械制造厂生产的k 5 3 0 型门机，其变幅系统的基本型式是三角 形截面、无缝钢管焊接的空腹桁架结构的直臂架，利用钢丝绳补偿滑轮组补偿 使吊重走水平位移，杠杆式活配重平衡起重臂的自重，变幅运动则是由电动机 通过带制动轮的联轴节、圆柱齿轮减速器输出端的小齿轮来驱动固定在平衡梁 支承铰处的扇形齿轮来实现的。 5 0 年代末6 0 年代初，我国开始培养自己的港口机械设计队伍，这一时期的 港口门机设计工作尚处于摸索阶段。 1 9 6 7 年到1 9 6 8 年间，由上海港口机械制造厂为湛江港条顺岛矿砂中转码头 设计、1 9 7 0 年安装并投入使用的3 台m 1 0 2 5 和1 台m 5 3 0 门机，变幅系统都 采用了箱型焊接结构的组合臂架，杠杆式活配重平衡装置，变幅运动则是由活 塞油缸驱动平衡梁来实现的。1 9 7 4 - - - 1 9 7 5 年国务院组织的百台门机会战生产的 m 5 3 0 和m 1 0 2 5 门机都是这种型式的变幅系统。 1 9 7 5 年以后，m 1 0 3 0 和m 1 6 3 0 型门机问世。后者的变幅系统是平行四连杆 箱形焊接结构的组合臂架，滚珠螺杆的变幅驱动装置。前者就是现在常年生产 4 武汉理1 人学硕+ 学位论文 的m 0 2 型l o tf l j - j t 的雏形。普通明连杆焊接箱形结构的组合臂架、杠杆式活西己 重的甲衡系统，齿条式变幅驱动装置。 臂桥架岸边集装箱起重机足根据现有集装箱作业的要求，针对码头承载能 力要求较高，吞吐量不大的中小港i a 和内河港口而设计丌发的，其装卸效率较 高、设备投资较低。该起重机对门座起重机的变幅系统进行彻底的改造和殳新， 臂桥架变幅系统由组合式平行列连杼臂桥架系统! 绳索小车式货物水平位移补偿 系统、曲线滑道活对重式臂桥架自重平衡系统! 半齿轮式变幅驱动装置等部分构成。 随着时代进步，科技不断发展。进人8 0 年代，国内一些j 家肝始引进国外 先进、合理的设计规范和企业标准，我们国家的起重机规范也陆续制定颁耜， 设计人员经过长期的设计、施工、现场安装调试服务，更吸取了许多教训，积 累了许多宝贵的经验，再加上计算机辅助设计的应用，这些使得对于起重机的 设计更加科学而便捷。 1 3 岸边臂桥架集装箱起重机变幅系统的组成和特征“” 针对门座起重机现有变幅系统对 于岸边集装箱裟卸作业所存在的问题， 设计利t 新型的岸边臂桥架集装箱起 重机，其变幅系统是该机型的核心技 术该系统t 叮达到提高工作速度、扩大 作范围、改变工作方式、可采用自动 吊具的目的，提高用于岸边集装箱作业 的门座起重机的装卸 效率。 臂桥架变幅系统具有新颖性，由组 合式平行阴连杆臂桥架系统、绳索小车 式货物水平位移补偿系统、曲线滑道活 对重式臂桥架白重平衡系统、半齿轮式 变幅驱动装置等部分构成，整个系统外 观新颖美观。如图l - 1 所示。 图1 - 1岸边臂桥架集装箱起重机 武沮理i 人学硕十学位论文 131 组合式平行四连杆臂桥架系统 ( 1 ) 结构形式 改系统采用摆动式臂架和平移式桥架的组台形式。酸系统出臂架1 、大拉杆 2 、头部桥架3 、半移小车4 组成，如图1 - 2 所示。大拉杆与臂架等长且与臂架 轴线平行和置，臂架、大拉杆与头部桥架构成平行四边形，当臂架绕下铰点的 摆动时头部桥架作平移运动，小乍可在水平桥架梁上移动，臂架处于最大仰角 位置时小车位于桥架晟内端，臂架处于最d 、仰角位置时小车位于桥架最外端。 ( 2 ) 特点 可有效地增大最大幅度和减小最小幅度扩大起重机的工作范围： 能保证集装箱及吊具在变幅过程中处于水半，适用于集装箱自动吊具的 起升卷绕系统： 货物在变幅过程中的复合运动可有效地提高变幅速度； 臂桥架系统在变幅过程中的势能变化较大。 刚l 一2 、f 行四连杆臂桥架系统 132 绳索小车式货物水平位移补偿系统 ( 1 ) 补偿形式 该系统采用起升绳补偿、补偿绳补偿和平移小车补偿的组合补偿形式。起 升卷绕系统采用导向滑轮补偿方式，起升绳从起升卷筒绕出经导向滑轮接入起 升滑轮组，根据起升绳在变幅过程中总长不发生改变可补偿一定的货物高度变 武汉理i 人学硕十学位论立 化。补偿绳卷绕系统采用滑轮组补偿方式，补偿绳连接小车通垃头部桥架前端 的导向滑轮后在桥架后端的动滑轮和人字架上的静滑轮之叫形成补偿绳滑轮 组，补偿绳在变幅过程中总长不变的特性决定了小车在挢架上的位置，并补偿 一定的货物高度变化。起升绳、补偿绳及平移小车的组合补偿形式可实现货物 在变幅过程中作近似水平运动。图1 - 3 表不起升绳、补偿绳的空问卷绕方式。 ( 2 ) 特点 在臂架的摆动过程巾同时进行小车的移动，不需要小车驱动装置； ( d 货物的复合运动可有效地提高变幅速度： ( d 起升绳与补偿绳分丌，使起升卷绕系统较为简单，避免了起7 1 绳在变幅过 程中的多次卷绕和反复弯曲： ( d 系统的设计裕度较大，易于通过优化设计获得较好的补偿效果： ( p 可通过增大补偿绳直径的方式柬减少补偿绳的卷绕，简化绳索系统的布 置。 圈1 - 3 起升绳及补偿绳卷绕系统 133 半齿轮式变幅驱动装置 ( 1 ) 驱动型式 由与平衡架相连的半齿轮、小齿轮和驱动装置组成。驰动装置通过小齿轮 与半齿轮的咕合将扭矩传给平衡架，并通过前拉杆柬克服臂桥架系统的f 、负 不平衡力矩，从而驱动臂架摆动进而改变货物的工作幅度。 武汉理1 人学硕f “学值论文 ( 2 ) 特点 半齿轮式变幅驱动装置不需要齿条箱、摇架等部什，减轻机构的重量： 避免齿条变幅机构在变幅过程中可能m 现的齿条箱与钢丝绳之问的干 涉现象； 小齿轮行程较大，可减少变幅传动装置的传动比： ( d 易于调整齿侧间隙保证正常啮合； ( d 改善臀架及人字架结构的受力。 134 曲线滑道活对重式臂桥架自重平衡系统 ( 1 ) 1 r 衡方式 该系统由前拉杆1 、平衡架2 、后拉杆3 、活对重4 、曲线滑道5 等部件组 成，如图1 - 4 所示。前拉丰t 分别与头部桥架和平衡架铰接，后拉杆分别与活对重 和平衡架铰接，活对熏可沿曲线滑道移动，平衡架可绕固定支j 。i 转动。在变幅 过程中利用活对重沿曲线滑道移动来甲衡臂桥架系统蕈心的升降。曲线滑道的 形状根据臂桥架系统重心的升降进行设计，可保证系统的完全平衡或获得理想 的自重不平衡力矩曲线。 j4 1 7 图1 - 4曲线滑道活对重式臂桥架自重平衡系统 ( 2 ) 特点 活对重的移动距离较大可减少活对重的重量： 获得理想的自重不平衡力矩曲线。易丁二达到在大幅度时系统具有上仰的 不平衡力矩、在小幅度时系统具有下+ 俯的不平衡力矩的设计效果： 一藩 武汉理i ：人学硕士学位论文 。可避免杠杆活对重平衡系统对臂架较大的横向弯曲作用，减轻臂架自重； ( d 易于布置半齿轮式变幅驱动装置； ( d 活对重的重心较靠后，可部分起到死对重的作用。 1 4 本论文的研究对象及主要工作 1 4 1 本论文研究对象及要解决的问题 臂桥架起重机是一种全新的机型，目前还没有关于此类起重机变幅系统设 计的任何资料，它的结构型式、载荷及最危险的工况都是未知的。本论文就是 以臂桥架变幅系统的会属结构为研究对象，打算在常规设计的基础上，采用有 限元法及a n s y s 工具来进行计算和分析，研究臂桥架变幅系统金属结构在静力 作用下的力学性能。论文要解决的问题如下： 1 计算臂桥架变幅系统的载荷及受力，确定臂桥架最危险的工况及该工况 下的载荷组合。 2 设计出一种较为合理的臂桥架金属结构型式，确定出该结构型式的具体 尺寸参数。 3 总结臂桥架金属结构设计方法，为今后该机型的设计选型提供理论依据。 1 4 2 本论文主要工作内容 本文主要工作是设计出新型臂桥架起重机变幅系统的金属结构形式。利用 a n s y s 工具，选取几种典型的金属结构形式建立臂桥架变幅系统的模型，分析 臂桥架在不同工况下结构力学性能，确定在满足力学性能条件下经济性较优的 结构形式及其参数。总结臂桥架变幅系统金属结构的设计方法。 ( 1 ) 根据设计要求计算臂桥架起重机可能出现的几种最危险的工况，确定 各工况下的载荷组合。 ( 2 ) 选取几种典型的结构形式，用a n s y s 的内部命令和a p d l 语言以及 参数化技术建立臂桥架结构的有限元参数化模型。 ( 3 ) 用建立好的有限元参数化模型进行力学分析，分析强度、刚度、稳定 性的主要影响因素，确定较优的结构形式。 ( 4 ) 总结臂桥架的设计规律，提出该类型起重机的选型及设计方法。 9 武汉理l ：入学硕十学位论文 第2 章有限元法及a n s y s 分析软件综述 2 1 有限元法基本理论p 4 】 传统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、人机工程等设计理论的不断深入，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。这些起重机的现代设计方法主要包括有限元法、优化设计、可靠设计、 计算机辅助设计( c a d ) 、动态仿真设计、模块化设计、反求工程设计、工艺技术 造型设计、通用化设计等。其中有限元法和优化设计目前在起重机的设计中应 用最为广泛，成为起重机设计中的主流方法。 2 1 1 有限元法概述 在工程计算中，过去应用材料力学和弹性力学的方法来计算，需要对原始 结构及其受力与边界条件做很大的简化，使得计算结果常常与实际情况相差甚 远，甚至失去分析计算的意义。有限单元法正是基于工程的实际需要而产生的。 有限单元法的基本思想早在4 0 年代初期就有人提出，但真正用于工程中则是在 电子计算机出现后。“有限单元法这一名称是1 9 6 0 年美国的克拉夫 ( c l o u g h r w ) 在一篇题为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用的。 4 0 年来，有限单元法的应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题， 由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性 材料、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学、 电磁学等领域。经过4 0 年的发展不仅使各种不同的有限元方法形态相当丰富， 理论基础相当完善，而且己经开发了一批使用有效的通用和专用有限元软件， 使用这些软件已经成功地解决了整机、机械、水工、土建、桥梁、机电、冶金、 造船、宇航、核能、地震、物探、气象、水文、物理、力学、电磁学以及国际 工程等领域众多的大型科学和工程计算难题，有限元软件己经成为推动科技进 1 0 武汉理! ：人学硕十学位论文 步和社会发展的生产力，并且取得了巨大的经济和社会效益。 2 1 2 有限元法计算思路 有限元法是将结构细分成有限个单元，每个单元以节点相连，两相邻单元 共用节点的位移、斜率、曲率必须一致，而两节点之问的位移则同节点位移和 变形函数相关。将荷载作用于节点，不论结构多么复杂，利用有限元法方法将 其离散化，建立的方程式均为统一的矩阵形式。以静态强度分析为例，系统方 程式如下所示： k ) = 仁) 其中为k 】刚度矩阵，表示节点载荷仁 与节点自由度的位移白) 相关性。 有限元法将结构( 或物理系统) 分割成单元接合在一起的网架结构，相邻 元素共用相同的节点，元素内部的变形位移量( 或物理量) 近似的以节点位移 量( 或物理量) 的内插函数表达。作用在结构( 或物理系统) 上的外力及力矩 以等效力及力矩作用在节点上，因此由节点的作用效应及节点反应关系式构成 了结构( 或物理系统) 的离散化方程式，在己知作用外力及力矩( 或外激效应) 时，求解此方程式，得到结构在各节点的位移( 或物理量) 。 其分析计算的思路和作法可归纳如下： 1 、物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。 离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连结起来；单元节点的设置、性质、 数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定( 一般情况，单 元越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大) 。所以有限 元法中分析的结构已不是原有的物体或结构体，而是同样材料的由众多单元以 一定方式连结成的离散物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似 的。如果划分单元数目足够多而又合理，则所获得的结果就与实际情况足够接 近。 2 、单元特性分析 1 ) 选择位移模式 在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点 力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未 武汉理l ：人学硕十学位论文 知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限单法中位移法应 用范围最广。 当采用位移法时，物体或结构物离散化之后，就可把单元中的一些物理量如 位移、应变和变力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移的分布采用一 些能逼近原函数的近似函数予以描述。通常，有限元法中我们就将位移表示为 坐标变量的简单函数。这种函数称为位移模式或位移函数，如y = 罗口。妒。，其中 筒 口，是待定系数，妒i 是与坐标有关的某种函数。 2 ) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单 元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹 性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度 矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 3 ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是， 对于实际的连续体，力是从单元的公共边界传递到另一个单元去的。因而，这 种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去， 也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。 3 、单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新联接起 来，形成整体的有限元方程 k ) = 仁) 其中为k 刚度矩阵，表示节点载荷仁) 与节点自由度的位移钿) 相关性。 4 、求解未知节点位移 解有限元方程式得出位移。这罩，可以根据方程组的具体特点来元择合适 的计算方法。 2 1 3 有限元法解体步骤 有限单元法的解题步骤归纳如下。 1 2 武汉理l 人学硕十学位论文 1 、单元剖分和插值函数的确定 根据构件的几何特性、载荷情况及所要求的变形点，建立由各种单元所组 成的计算模型。再按单元的性质和精度要求，写出表示单元内任意点的位移函 数“b ，y ，z ) ，v ( x ，y ，z ) ，w ( x ，y ，z ) 或d = s ( x ，y ，z ：k 。 利用节点处的边界条件，写出以口表示的节点位移g 。= k 。v 。m “：v ：w ：人】r ， 并写成 q 。tc a 求c ，及口= c 。1 q 。，并代a d = s a ，得 d s c 。1 q 。= 响。 ( 2 1 ) 它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。 2 、单元特性分析 根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可计算出应变 为 f = b q 。 ( 2 2 ) 式中曰为应变矩阵。相应的变分为 & = b 却。 自物理关系，得应变与应力的关系式为 口= d e d b q 。 ( 2 3 ) 式中，d 为弹性矩阵 自虚位移原理严r o d v = 却打厂。，可得单元节点力与位移之间的关系式 厂。= k 。q 。 ( 2 4 ) 式中，k 。是单元特性，即刚度矩阵，并可写成 k 。= b r d b d v 3 、单元组集 把各单元按节点组集成与原结构相似的整体结构，得到整体结构的节点力 与节点位移的关系，即整体结构平衡方程组 1 3 武汉理l ：人学硕十学位论文 厂= ( q ( 2 - 5 ) 式中k 一整体结构的刚度矩阵： ，一总的载荷列阵； g 一整体结构所有节点的位移列阵。 对于结构静力分析载荷列阵厂可包括 = l m o 式中疗2 f n r p 。d y ( 体积力转移) ，厂卅；厂r p ，d s ( 表面力转移) ，厶= r p ( 集中力转移) 。 4 、解有限元方程 可采用不同的计算方法解有限元方程，得出各节点的位移。在解题之前， 必须对结构平衡方程组进行边界条件处理。然后再解出节点位移q 。 5 、计算应力 若要求计算应力，则在计算出各单元的节点位移q 。后，自；b q 。和口= d 即可求出相应的节点应力。 2 1 4 有限元法的优越性与局限性 有限元法能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用，除高速电子计算机的出 现与发展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分不开的。 有限元的优越性主要有： 1 ) 在固体力学及其他连续体力学中，只有一些特殊类型的位移场和应力场 才能求得微分方程式的解。对于多数复杂的实际结构得不到解。而有限元法对 于完成这些复杂结构的分析是一种十分有效的数值方法。有限元法是利用离散 化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元结点参数的计算，虽然它的解 是近似的，但适当选择单元的形状与大小，可使近似解达到满意的精度。 2 ) 有限元法另一个优点在于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要进 入单元有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进。所以对内部 和边界上的单元都采用相同的场变量函数，而且当边界条件改变时，场变量函 1 4 武汉理i ：人学硕十：学位论文 数不需要改变，这对编制通用化的程序带来了莫大的简化。 3 ) 有限元法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的 材料性质问题，例如材料的各向异性，非线性，随时间或温度而变化的材料性 质问题。另外它还可以解决非均质连续介质的问题。其应用范围极为广泛。有 限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适应于电子计 算机的工作。 有限元法的局限性主要有： 1 ) 有限元法的应用与电子计算机紧密相关，它的计算机质量与速度取决于 计算机的储存容量和速度，先进的计算机将有利于有限元的发展。 2 ) 有限元法作为一种计算方法己经达到了成熟的程度，但在具体应用中还 有不小的差距，特别是对于一些复杂的问题，如固体力学领域中断裂形态，接 触问题与其他领域中的瞬态问题的数值解，目前虽有进展，但还不能十分令人 满意，需进一步研究。 3 ) 目前在许多有限元通用程序中，增加了前，后处理功能，网络能自动生 成或分割，有利于更广泛的应用与推广。尽管结构的网络分割与准备输入数据 的工作在某种程度上可以自动化，但还不能全靠计算机实现，因为在离散化过 程中，还必须根据不同的要求来决策。在输入数据中，如有差错，且未被发现， 将会导致错误计算结果，而且往往较难发现，带来不少麻烦。对于输出数据的 整理与判断也是很费时| 白j 与精力的。因此在这方面还必须进一步减轻手工的， 费时的，烦琐的，易出错的工作。 2 2a n s y s 分析软件介绍嘲 2 2 1 有限元分析与a n s y s 随着现代科学技术的发展，人们在不断建造更为快捷的交通工具、更大规 模的建筑物、更大跨度的桥梁、更大功率的发电机组和更为精密的机械设备。 这一切都要求工程师在设计阶段就能精确的预测出产品或工程的技术性能，需 要对结构的静、动力强度以及温度场、流场、电磁场和渗流等技术参数进行分 析计算。此时传统的解决方法往往是不可行的，需要寻求新的分析计算方法。 近年来，在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析 ( f e a ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ) 方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提 1 5 武汉理：人学硕十学位论文 供了有效的途径。有限元分析是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种 现代分析方法。5 0 年代，它首先在连续体力学领域一飞机结构静、动念特性分 析中得以应用，随后广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 我国曾在“九五”计划中大力推广计算机辅助设计( c a d ) 技术，c a d 技 术在大中型企业中的普及率也因此得以大幅度提升。自此，工程技术人员的工 作重心已经转移到如何优化设计、提高工程和产品质量问题上去。要解决这些 问题，有限元分析自然是最佳选择之一。 随着有限元分析技术的推广，到2 0 世纪8 0 年代初，国际上较大型的面向 工程的有限元通用软件有：a n s y s 、n a s t r a n 、a s k a 、a d i n a 、s a p 等等。 其中以a n s y s 为代表的工程数值模拟软件，是融结构、流体、电场、磁场、声 场分析于一体的大型有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之 一的美国a n s y s 公司开发，它具有与p r o e 、n a s t r a n 、a l g o r 、i - d e a s 、 a u t o c a d 等多数c a d 软件的数据接口。可广泛用于机械制造、石油化工、轻工、 造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利等众多工业领域及科研当 中。该软件可在大多数计算机及操作系统( w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x ) 中运行， 在p c 机、工作站、大型机和巨型机的所有硬件平台上，a n s y s 数据文件均可 兼容。 2 2 2a n s y s 软件的特点 ( 1