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GX108 QTZ40 塔式起重机 总体 机构 设计

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GX108-QTZ40塔式起重机总体及起升机构的设计,GX108,QTZ40,塔式起重机,总体,机构,设计

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第38卷增刊上海交通大学学报Vol38s up型兰!12旦!型垒1211坚垒翌里坚垒!垒212型g坚型!：!墨i 坚2：2坠文章编号：1006-2467(2004)S1-0171-05Fi ni t eEem entFact ur eA al ysi soft heM ai nA rmofTow erC r aneswitht he3- DC r acksZongji eCa01，2- aZhenbangK uan91，5andC hangpi ngLi2，。1D epart m entofEngi neer ingM echani cs，ShanghaiJi aot ongUniversi t y，Shanghai200240，Chi na2D epart m entofM echani calEngi neeri ng，Aeronaut icU ni versi t yofA i rForce，Changchun130022，Chi na8zj ca096 si nacom ，。zbkuang m ail sj t uedu。ca，。Li changpi ngI si nacomA bst ract：I nt hispapert hel ocalsol udonsofdi splacem entfi eldsi nfrontoft hree- di m ensi onalcracksar ei nt roducedandanewsi ngul arelem entoft hreedi mensi onalcrackprobl em si sconstructedandanewm et hodforcal cul at i ngst r essi nt ensi t yfact orsoft hree- di m ensi onalcr ackproblem si spr esentedW itht hepresentm ethod，t hestr uct ur alst rengt hofw i t hl ongi t udi nalcl osedcracksunderaxi alt ensi onsi sanal yzedIti sposs i bl efor t hecr ackt opr opagatebecauset herearer ingt 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UNIVERSITY Jun.2004对塔式起重机臂三维裂纹的有限元断裂分析曹宗杰,匡振邦和李昌平中国上海交通大学工程力学系， 200240中国长春航空空军大学机械工程系，130022zjcao96,zbkiang,Lichangpingl摘要：本文介绍了在三维裂纹前端位移域的局部解和构造三维裂纹问题的一种新方法，和提出了一种新方法用于计算三维裂纹问题的应力强度因子。用现有的方法，对结构强度与纵向闭合裂纹轴向张力进行了分析。裂纹扩展是可能的，因为轴压塔式起重机主臂的关节附近有环拉伸应力。应力和应力强度因子用于塔式起重机主臂关节计算。探讨了焊接残余应力和应力强度因子的影响。关键词：应力强度因子；残余应力奇异有限元；裂纹1引言电力系统塔式起重机是塔式起重机类型中最重的的一个。一些灾难性事故发生时塔式起重机都是在使用工程中的。磁测量，封闭式纵向裂缝在塔式起重机主臂的表面经常发现。裂缝影响结构的强度，因此对纵向闭合裂纹塔式起重机主臂的强度必须进行分析。因为裂纹尖端，一般方法很难准确地确定裂纹如何影响塔式起重机结构强度。许多研究人员在裂纹尖端的奇异领域提出了各种模拟和处理。每一种方法都有其优点和缺点存在。他们中的大多数是需要密集的网格计算的有限元方法。一些更为精确的元素，如杂交/混合有限元，有更精确的结果，但是它很难控制结果的稳定性。因此需要在工程上应用一种特殊的算法。奇异有限元求解应力强度因子裂纹问题时有特殊的优势。在本文中的三维裂纹的前端位移域解决方案，介绍了一种构建二维裂纹弹性问题和三维裂纹问题的新的奇异单元，并提出了一种新方法用于计算应力强度因子的三维裂纹问题。此方法不仅可以节省内存和计算时间，也增加了对涉及到应力强度因子有限域问题的计算解的精度。与现有的方法相比，对纵向闭合裂纹的结构强度轴向张力进行了分析。对塔起重机的主臂关节应力和应力强度因子进行计算。探讨了焊接残余应力和应力强度因子的影响。2奇异有限元方法由于应力裂纹奇异性的存在，常规有限元应力域精确的表达强度是非常困难的。因此，任意裂纹形状的三维物体，局部位移场，应力场和应变场可以表示为如下形式： （1） （2） （3）这里的、和分别是分布函数矩阵的局部应力场，应变场和位移场。的应力强度因子（SIF）的阵列在裂纹前沿的任意一点，二次插值函数模拟元素中裂纹前沿的应力强度因子是该点放置在裂纹前端的功能。然后下面的公式可给出： （4） （5） （6）其中L是应力强度因子的二次插值函数矩阵；是应力强度因子在单元节点的阵列，是在裂纹前沿的应力强度因子的节点数组。局部解式（1）-（3）为等参单元，对任意形状的三维裂纹单元位移场如下： （7）其中q是节点位移，并用奇异的元素数。M是M的节点单元边界，L是元素边界节点。根据应变与位移之间的关系，为，可以得到以下方程 （8）其中和为应变向量应力矢量；是微分算子；B是应变矩阵；是奇异应变矩阵；D是弹性系数矩阵。根据应力和应变之间的关系，可以得到以下方程： （9）3三维裂纹应力强度因子根据最小势能原理，可以得到以下方程 （10）当是整个研究区时，是奇异的区。f和分别是表面力的奇异单元。将式（7）-（9）代入式（10），可以得到以下方程： (11)其中Q是全球位移阵列。F和分别是整体区域研究和奇异区域边界力向量。K是整体刚度矩阵。是耦合的整体刚度矩阵元素之间的定期和奇异的元素。是奇异单元的整体刚度矩阵。通过分别改变Q和之间的独立性，可以得到以下方程 (12) (13)当时，式（13）可以改写为下列形式： (14)替代式（14）代入式（12），可以得到以下方程： (15)当 (16) (17)4数值例子塔式起重机是桁架结构，其主臂是无缝钢管（）是20钢材料。裂纹的长度为5500mm，裂缝的深度为0.52.5mm。计算模型的建立应用二十节点三维有限元素。关节臂有限元网格与附近的封闭式纵向裂缝的主要危险如图1所示。裂缝计算长度为500mm。分别计算裂缝深度，为1.5,2.5，3和3.5毫米。计算负荷（）等于。出于焊接残余应力对主臂与封闭式纵向流的考虑，焊接残余应力（）相当于等于0.5。泊松分布，材料的杨氏模量的比分别等于0.3和0.07MN /。环拉伸应力在不同的径向截面无焊接残余应力，如图2所示。环拉伸应力不同轴向截面无焊接残余应力如图3和图4所示。通过上述计算，塔式起重机主臂的关节部分有环的拉伸应力在可能的流环附近传播。 从图24可知，主臂纵向闭合裂纹的环拉伸应力降低时有焊接残余应力。在不同的情况下，主臂关节部分应力强度因子的三维裂纹附近无焊接残余应力和对焊接残余应力进行了计算，如图5,图6所示。从图5可以看出，最大应力强度因子等于时裂纹的厚度为3.5mm，关节处发生较少， 在10cm左右。单边缘裂纹扩展门槛值，它的长度是0.025到5毫米，是从4.0至的20钢材料。主臂关节附近的最大应力强度因子小于单边缘裂纹扩展门槛值。如图6，最大应力强度因子等于时，裂纹深度等于3.5mm。最大应力强度因子与焊接残余应力小于无焊接残余应力。5结论本文对三维裂纹前端位移域的解决方案进行了介绍和三维裂纹问题的一种新的奇异单元的构造，和提出了一种新方法，计算三维裂纹问题的应力强度因子。与用现有的方法，对结构强度与纵向闭合裂纹轴向张力进行了分析。这是可能的裂纹扩展，因为是有环的拉伸应力下的轴压塔式起重机主臂的关节附近的应力。焊接残余应力对焊接材料强度有害，但焊接残余应力使主臂环拉伸应力下降。在同一时间，应力强度因子的下降，改进了塔式起重机主臂的安全性。参考文献1 王志超，张理苏,一种新的准谐调有限元列式方法及在断裂力学中的应用1990.37（6）1195-12012 O.C.钦科维奇（Zienkiewicz O.C.），有限元法,麦格劳希尔图书有限公司第三版：669，19773Barsoum RS.Int J.Numer.Merh.Engng.1976,10:25374 Abdel Wahab MM, De Roeck G A Finite Element Solution for Elliptical Cracks Using the ICCI Method Engineering Fracture Mechanics, 1996,53:518-5265 曹宗杰三维奇异准谐调单元理论研究及其数值分析，1994。 6 Raju Ls, Newman JC_ Stress-intensiEy Factors for A Wide Range of Semi-eUiptical Surface Cracks in Finite- thickness Plates, Engineering Fracture Mechanics, 1979,11:817-829.7 匡振邦，马法尚,裂纹端部场，中国西安大学出版社，2002河北建筑工程学院毕业设计（论文）开题报告课题名称QTZ40塔式起重机总体及起升机构的设计系 别： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 机094 学生姓名： 陈福海 学 号： 2009307426 指导教师： 李常胜 课题来源导师课题课题类别工程设计一、论文资料的准备 1.塔式起重机简介塔式起重机简称塔机或者塔吊，是一种机身为塔架式结构的全回转动臂架式起重机。塔式起重机由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。金属结构包括塔身、动臂和底座等。塔机的工作机构有五种：起升机构、变幅机构、小车牵引机构、回转机构和大车走行机构(行走式的塔机)。电气系统包括电动机、控制器、配电柜、连接线路、信号及照明装置等。塔式起重机的作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。由于塔式起重机能够靠近建筑物，在高层建筑施工中其幅度利用率比其它类型的起重机要高，可达到全幅度的80%。而普通履带式、轮胎式起重机的幅度利用率不超过50%，并随着建筑物高度的增加而急剧减小。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、降低工程造价等方面起着重要的作用。 2. 塔式起重机发展状况我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气, 我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。20世纪50年代为满足国家经济建设的需要引进了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建筑师-型塔式起重机在抚顺试制成功了我过第一台TQ2-6型塔式起重机。随后又仿制苏联样机研制了15t与25t塔式起重机这个时期我国生产与使用的塔式起重机的数量都较少。到了20世纪60年代我国开始进入了自行设计与制造塔式起重机的阶段。随后我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拖运能满足六层以下民用建筑施工的需要。20世纪70年代起由于建筑施工的需要我国塔式起重机进入了技术提高、品种增多的新阶段。1972年我国第一台下回转的轻型轮胎式轨道两用起重机问世。这一时期还先后开发了ZT100、ZT120、Z80型等小车变幅自升式塔式起重机、Q 4-20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台标志着我国塔式起重机行业进入一个新的阶段。进入20世纪80年代我国塔式起重机相继出现了不少新产品主要有QT80A、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和QT90上回转动臂下顶升接高塔式起重机等。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我国塔式起重机产品的设计制造技术的进步。 进入20世纪90年代以后我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翻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年代的几十台截止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我国均堪称塔式起重机大国。但是产品结构不合理 品种型号大同小异制造技术不适应 没有形成规模工业有制约着我国塔式起重机的发展。国外塔机发展的主要代表性国家或地区有欧洲、日本、澳大利亚。从20世纪90年代开始欧洲塔机行业缓慢复苏目前欧洲生产塔机的国家有德国、法国、英国、意大利、俄罗斯、西班牙、瑞典、丹麦等主要厂家有法国Potain德国Liebherr、Peiner、Wolff意大利。二、本课题的目的（重点及拟解决的关键问题）本课题针对QTZ40塔式起重机的总体设计、臂架、变幅机构，起升机构进行了重点研究。目的在于阐明QTZ40塔式起重机的工作原理，总体设计时根据塔机的结构形式分析，对塔式起重机进行工作仿真，为进一步分析研究塔式起重机的总体、臂架、起升机构提供证据。塔式起重机起升机构制动系统，主要包括：机械传动链中减速器的高速轴上装工作制动器，卷筒法兰盘上安装的液压式安全制动器；由工业控制计算机或可编程序控制器PLC与控制电路组成的电气控制系统；在正常情况下只要起重机主电源接通，安全制动器始终处于通电打开状态；在起重机供电系统故障及起升机构故障情况下安全制动器闭合；其