（机械设计及理论专业论文）钢结构稳定性计算机辅助设计系统研究与开发.pdf

毒 ，j j ： 独创性声明 y 1 8 8 d 舀誉i j ；。 本人声明，所呈交的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。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 vl | 亨1 鼋、 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： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 薪究生( 签名) ：么鸯导师( 签名) ：素警坠日期：皿 乜 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 近年来，钢结构因其质量稳定、安全可靠、强度高、重量轻和制造工业化 程度高等优点获得越来越广泛的应用。钢结构构件截面都比较纤细，这样的构 件在承受压、弯或压弯时，如果刚度不足，常发生屈曲破坏。而且，钢结构的 稳定性计算比较复杂，在起重机钢结构领域内还没有可供使用的采用规范对钢 结构进行稳定性计算的软件，所以如何实现快速而准确地计算就显得尤为重要。 本文以钢结构中的基本构件柱与梁和实际起重机的典型结构门座起重机的 臂架、附着式塔式起重的塔身及其双吊点臂架为研究对象，研究和开发出能够 计算上述结构稳定性的钢结构稳定性计算机辅助设计系统，对于提高稳定性计 算的效率和准确性，减轻设计人员的设计工作强度具有十分重要的现实意义。 主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 以起重机设计规范( g b t 3 8 11 - 2 0 0 8 ) 中的轴心受压构件截面类别中 的截面为基础，并对其进行适当扩充，确定在不同承撑条件下和在轴心受压、 单向压弯和双向压弯状态下实腹式构件的整体稳定性和局部稳定性的计算方 法，格构式构件的整体稳定性和分肢稳定性的计算方法； ( 2 ) 确定在不同支承条件下和在轴心受压、单向压弯和双向压弯状态下钢 结构中常用的箱型变截面柱整体稳定性和局部稳定性的计算方法，四肢格构式 变截面柱的整体稳定性和分肢稳定性的计算方法； ( 3 ) 确定轧制工字钢、轧制槽钢、轧制h 型钢和焊接工字形组合简支梁的 的整体稳定性计算方法，确定板的局部稳定性的计算方法，确定加劲肋的尺寸 和截面惯性矩的计算方法； ( 4 ) 确定实际起重机的典型结构门座起重机和塔式起重机的臂架特别是附 着式塔式起重机塔身的稳定性计算的合理的力学模型，并探索其稳定性的计算 方法； ( 5 ) 建立设计计算过程中所需要的金属型材数据库，并实现对数据库的查 询和编辑，调用数据库中的数据参与计算；探索清晰、操作简单方便的系统界 面，利用v i s u a lb a s i c 6 0 对基本构件柱与梁和实际起重机典型结构稳定性计算的 功能模块进行设计，通过文档自动生成技术实现计算报告文件的自动生成；对 系统的附属功能进行设计以使系统更加完善。 关键词：钢结构；稳定性；计算机辅助设计；数据库；计算报告文件 ，i 广 气 l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h es t e e ls t r i l c 臼l r eb e c a u s eo fi t ss t a b l eq u a l i t y , s a f e t y , r e l i a b i l i t y , l l i g hs t r e n g t h ，l i g h tw e i g h ta n dt h eh i g h e rm a n u f a c t u r ei n d u s t r i a l i z a t i o nd e g r e e o b t a i n e dm o r ea n dm o r ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t h es t e e ls 仃u c t u r ec o m p o n e n t s e c t i o ni s q u i t es l e n d e r , s u c hc o m p o n e n tw h e nw i t h s t a n dp r e s s u r e ，b e n d i n go r p r e s s u r ea n db e n d i n g ，i ft h es t i f f n e s si si n s u f f i c i e n t ，b u c k l i n gd e s t r u c t i o no f t e no c c l i i 墨 m o r e o v e r , t h es t a b i l i t yo fs t e e ls t r u c t u r ec a l c u l a t i o ni sm o r ec o m p l e x ，i nt h ef i e l do f c r a n es t e e ls t r u c t u r e ，t h e r ei sn oa v a i l a b l es t a b i l i t yo fs t e e ls t r u c t u r ec a l c u l a t i o n s o , w a r eu s i n gr u l e s ，s oh o wt or e a l i z et h ef a s ta n da c c u r a t ec a l c u l a t i o ni sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , t h ej i bo fp o r t a lc r a n e ，t h et o w e rb o d yo ft o w e rc r a n ea n di t s t w o - r o dj i ba r ea st h er e s e a r c ho b j e c t s ，r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p m e n t i n gt h es t a b i l i t y o ft h es t e e ls t r u c t u r ec a d s y s t e mt h a tc a nc a l c u l a t et h es t a b i l i t yo ft h es t e e ls t r u c t u r e ， f o ri m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h es t a b i l i t yc a l c u l a t i o n , r e d u c i n gt h e d e s i g ns t r e n g t ho ft h ed e s i g n e r t h em a i nt a s k sa r ea r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 圮s e c t i o n sc o n t a i nt h es e c t i o n so ft h ec a t e g o r yo ft h ed e s i g nr u l e sf o r c r a n e s ( g b t 3 811 2 0 0 8 ) a n dt h e i ra p p r o p r i a t ee x p a n s i o n t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do f t h eo v e r a l ls t a b i l i t ya n dl o c a ls t a b i l i t yo ft h es o l i da b d o m e ns t r u c t u r ea n dt h eo v e r a l l s t a b i l i t ya n ds u b l i m b ls t a b i l i t yo ft h et r u s s s t r u c t u r ei nt h ed i f f e r e n t s u p p o r t c o n d i t i o n sa n dt h ea x i a lf o r c e ，o n e - w a yb e n d i n ga n dt w o - w a yb e n d i n gc o n d i t i o n si s d e t e r m i n e d ( 2 ) 1 1 圮c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eo v e r a l ls t a b i l i t ya n dl o c a ls t a b i l i t yo ft h e v a r i a b l ec r o s s - s e c t i o ns o l i da b d o m e ns n u c 慨a n dt h eo v e r a l ls t a b i l i t ya n ds u b l i m b l s t a b i l i t yo ft h ev a r i a b l ec r o s s s e c t i o nt n l s ss t n j c t u r ei nt h ed i f f e r e n ts u p p o r tc o n d i t i o n s a n dt h ea x i a lf o r c e ，o n e - w a yb e n d i n ga n dt w o w a yb e n d i n gc o n d i t i o n si sd e t e r m i n e d ( 3 ) ，n 圯c a l c u l a t i o nm e t h o do ft h eo v e r a l ls t a b i l i t yo ft h eb e a m sf o rr o l l i n g i - b e a m ，r o l l i n gc h a n n e l ，r o l l i n gh s h a p e ds t e e la n dc o m p o s i t ew e l d e r1 - s h a p e ds e c t i o n i sd e t e r m i n e d ，t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h el o c a ls t a b i l i t yo ft h eb o a r di sd e t e r m i n e d a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h es i z ea n dm o m e n to fi n e r t i ao ft h es t i f f e n e dp l a t ei s i i p 毒 武汉理工大学硕士学位论文 d e t e r m i n e d ( 4 ) n 圮r a t i o n a ls t a b i l i t ym e c h a n i c a lc a l c u l a t i o nm o d e l so ft h ej i bo fp o r t a l c r a n ea n dt h et o w e rc r a n ea n dt h eb o d yo ft o w e rc r a n ea l ed e t e r m i n e da n dt h e c a l c u l a t i o nm e t h o d so f t h es t a b i l i t yo f t h e s es t r u c t u r e sa l ee x p l o r e d ( 5 ) c r e a t i n gt h ed a t a b a s eo ft h es e c t i o n s ，i m p l e m e n t i n gt h ei n q u i r ya n de d i t i n g f o rt h ed a t a b a s e t h ed a t ai nt h ed a t a b a s ei sc a l l e df o rc a l c u l a t i o n t h ec l e a r , s i m p l e a n dc o n v e n i e n ts y s t e mi n t e r f a c ei se x p l o r e d u s i n gv i s u a lb a s i c6 0t od e s i g nt h e f u n c t i o n a lm o d u l e so ft h es t a b i l i t yo fs t e e ls t r u c t u r ec o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e m 刀 er e p o r tf i l ei sg e n e r a t e dt h r o u g ha u t o m a t i cd o c u m e n tg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y t h e a t t a c h e df u n c t i o n so ft h es y s t e ma l ed e s i g n e dt om a k et h es y s t e mm o r ep e r f e c t k e yw o r d s ：s t e e ls t r u c t u r e ；s t a b i l i t y ；c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ；d a t a b a s e ；c a l c u l a t i o n i i i ? 0 ， f l 武汉理工大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究的目的和意义l 1 2 论文研究的主要内容2 1 3 与本课题研究相关的国内外的发展现状一3 1 3 1 与本课题相关的钢结构稳定性计算理论的发展现状3 1 3 2 与钢结构稳定计算相关的软件的发展现状5 第2 章计算机辅助设计系统的开发方法及相关技术。7 2 1 计算机辅助设计概述7 2 2 计算机辅助设计系统的开发方法一8 2 2 1 计算机辅助设计系统的开发原理8 2 2 2 计算机辅助设计系统的开发方法9 2 2 3 工程数据的处理方法10 2 3 数据文件和数据库1 2 2 3 1 数据文件及其应用1 2 2 3 2 数据库及其应用1 2 2 4 本章小结1 3 第3 章轴向受力构件一柱的稳定性计算1 4 3 1 结构稳定性设计准则概述1 4 3 2 轴心受压构件的整体稳定性计算1 5 3 3 实腹式偏心受压构件的整体稳定性计算1 9 3 4 实腹式偏心受压构件的局部稳定性计算2 2 3 5 格构式柱的稳定性计算2 4 3 5 1 格构柱的换算长细比的计算2 4 3 5 2 格构柱的柱肢内力和缀条内力计算一2 6 3 5 3 格构柱的稳定性计算2 9 3 6 变截面柱的稳定性计算2 9 i v j i ) _ 上 k 武汉理工大学硕士学位论文 3 7 本章小结3 0 第4 章横向受弯实体构件梁的稳定性计算3 1 4 1 梁的整体稳定性计算3 l 4 2 组合梁的局部稳定性计算3 5 4 2 1 板的临界应力和临界复合应力的计算3 5 4 2 2 板的局部稳定性计算3 8 4 3 加劲肋的构造尺寸要求3 9 4 3 1 腹板加劲肋3 9 4 3 2 翼缘板加劲肋。4 0 4 4 本章小结4 0 第5 章典型起重机结构的稳定性计算4 l 5 1 i 座起重机臂架的稳定性计算4 l 5 1 1 刚性传动变幅的臂架的稳定性计算。4 1 5 1 2 柔性拉索变幅的单臂架的稳定性计算。4 3 5 2 附着式塔式起重机塔身的稳定性计算4 5 5 3 塔式起重机双吊点臂架的稳定性计算4 8 5 4 本章小结5 0 第6 章钢结构稳定性计算机辅助设计系统的实现5 1 6 1 系统开发语言的选择5 1 6 2 钢结构稳定性计算机辅助设计系统的功能模块概述5 l 6 3 轴向受力构件一柱的稳定性计算功能实现5 3 6 3 1 型钢柱的稳定性计算子模块5 4 6 3 2 组合柱的稳定性计算子模块5 7 6 3 3 格构柱的稳定性计算子模块。6 0 6 4 横向受弯实体构件梁的稳定性计算功能实现6 2 6 5 典型起重机结构的稳定性计算功能实现6 8 6 6 数据库的查询、编辑和文档自动生成功能6 9 6 6 1 数据库的查询和编辑功能6 9 6 6 2 文档自动生成功能7 0 6 7 钢结构稳定性计算机辅助设计系统的其他功能7 l 6 8 本章小结7 2 第7 章全文总结与展望7 3 v j f j v i l r 0 h 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 钢材属于轻质高强材料，因而钢结构构件截面都比较纤细。这样的构件在 承受压、弯或压弯时，如果刚度不足，常发生屈曲破坏。由于钢结构或构件的 屈曲破坏比较突然，屈曲一旦发生，结构随即崩溃( 实腹式构件中腹板的屈曲 例外) ，因此，远比强度破坏危险得多。1 9 0 7 年，加拿大圣劳伦斯河上的魁北克 桥，在用悬臂法架设桥的中跨桥架时，由于悬臂的受压下弦失稳，导致桥架倒 塌，9 0 0 0 t 钢结构变成一堆废铁，造成桥上施工人员7 5 人死亡。1 9 7 8 年，美国 哈特福德城的一座体育馆的平面网架屋盖突然坍塌，破坏原因是为压杆设置的 支撑杆有偏心，不能起到预期的减少计算长度的作用而导致的压杆屈曲。1 9 9 0 年，我国辽宁省某厂也发生过结构失稳导致的人员伤亡事故，设计人员在对该 厂的屋盖结构进行相关稳定性计算时，由于没有将一根受压腹杆在平面外的长 细比a ，计算正确，此腹杆首先失稳，从而导致屋盖迅速塌落，造成4 2 人死亡和 1 7 9 人受伤的特大事故。因此，稳定问题是钢结构设计中的突出问题。 近年来，随着建筑工业、交通运输业和机械工业等的迅速发展和钢结构设 计理论的不断完善，钢结构因其质量稳定、安全可靠、强度高、重量轻和制造 工业化程度高等优点获得越来越广泛的应用。 门座起重机是装在沿地面轨道行走的门形底座上的全回转臂架起重机，是 码头前沿通用起重机械之一。门座起重机的门架下面可以通行铁路车辆和其它 无轨运输工具等。门座起重机除了具有高大的金属结构外、具有可以带货变幅 的工作性变幅机构外，还具有工作幅度大、起升高度高和生产率高的特点。由 于门座起重机在设计制造中涉及到的因素较多，难免存在薄弱环节，又由于工 作条件恶劣，使用频繁，容易超载，而臂架系统是门座起重机把货载传递到旋 转平台的主要构件，臂架通常按弯矩变化设计成变截面，因而稳定性计算是臂 架计算的重要内容。 塔式起重机是一种在建筑施工中担负垂直运输和水平运输的机械，随着国 家现代化建设事业的发展，大型工程越来越多，如各大城市的高层建筑施工、 桥梁工程、电力建设工程、化工建设工程、冶金建设工程等。这些工程都对建 武汉理工大学硕士学位论文 筑塔式起重机的高度提出了越来越高的要求，现在很多工程要求塔机使用高度 1 0 0 m 以上，有些甚至高达2 0 0 3 0 0 m ，附着式塔式起重机的应用也因此越来越广 泛。附着式塔式起重机的塔身结构是典型的多跨支承连续压杆结构，其稳定性 分析是工程设计中的难点之一。同时，近年来为增加塔机的工作幅度，开始采 用双吊点臂架，双吊点臂架在同样起重量的作用下，比单吊点臂架内力均匀， 臂端变形小，结构重量轻，因而得到了广泛的应用。而采用传统的方法计算双 吊点臂架结构的整体稳定，往往很难过关，因此改进传统的计算方法，就成为 塔式起重机向长臂架发展的重要问题。 此外，一般的钢结构构件在工程中也时常用到，这些钢结构构件的稳定性 也不容忽视。如附着式塔式起重机的附着杆，由于缺乏快速准确的计算手段， 当必须根据现场实际情况对附着装置进行专门设计时，施工方多数情况下仅进 行简单的估算来确定附着方案，由于缺乏足够的分析，就可能会产生安全隐患。 由于上述结构安全的重要性和不同支撑条件下稳定性计算过程的复杂性， 稳定性计算的公式复杂，并且需要计算整体稳定性和局部稳定性、分肢稳定性， 查阅相关数据表等。因此能够准确而快速地计算就显得尤为重要，而现今专业 的钢结构计算软件主要面向建筑领域的钢结构，在建筑领域之外的钢结构稳定 性计算主要仍局限于手工计算。因此本文以起重机钢结构领域内的典型压弯构 件门座起重机的臂架、附着式塔式起重机的塔身及其双吊点臂架和起重机设计 规范( g b 厂r 3 8 1 1 2 0 0 8 ) 中的钢结构构件为研究对象，通过成熟的起重机钢结构 设计理论和结构稳定性理论以及现今最新的理论研究成果等确定上述结构的合 理的力学模型并探索其稳定性计算的合理方法，充分利用计算机技术开发出解 决上述钢结构稳定性问题的计算机辅助设计系统，将起重机设计规范中的钢结 构稳定性计算准则纳入其中，对于钢结构稳定性计算机辅助设计系统的进一步 开发，提高稳定性计算的效率和准确性，减轻设计人员的设计工作强度具有十 分重要的现实意义。 1 2 论文研究的主要内容 本文以钢结构中的基本构件柱与梁和实际起重机的典型结构门座起重机的 臂架、附着式塔式起重的塔身及其双吊点臂架为研究对象，以g b 厂r 3 8 1 1 - 2 0 0 8 起重机设计规范、g b t 1 3 7 5 2 - - - - 9 2 塔式起重机设计规范以及成熟的钢结 构相关设计理论和现今最新的理论研究成果为基础确定上述结构的合理力学模 武汉理工大学硕士学位论文 型并探索其稳定性计算的合理方法，并借助v i s u a lb a s i c 6 0 程序设计语言将上述 力学模型程序化，研究和开发能够计算上述结构稳定性的钢结构稳定性计算机 辅助设计系统。主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 以起重机设计规范( g b 仍8 11 - 2 0 0 8 ) 中的轴心受压构件截面类别中 的截面为基础，并对其进行适当扩充，确定在不同支承条件下和在轴心受压、 单向压弯和双向压弯状态下实腹式构件和格构式构件的稳定性计算方法； ( 2 ) 确定在不同支承条件下和在轴心受压、单向压弯和双向压弯状态下钢 结构中常用的箱型变截面柱和四肢格构式变截面柱的稳定性计算方法； ( 3 ) 确定轧制工字钢、轧制槽钢、轧制h 型钢和焊接工字形组合简支梁的 的整体稳定性计算方法，确定板的局部稳定性的计算方法，确定加劲肋的尺寸 和截面惯性矩的计算方法； ( 4 ) 确定实际起重机的典型结构门座起重机和塔式起重机的臂架特别是附 着式塔式起重机塔身的稳定性计算的合理的力学模型，并探索其稳定性的计算 方法； ( 5 ) 建立设计计算过程中所需要的金属型材数据库，并实现对数据库的查 询和编辑，调用数据库中的数据参与计算；探索清晰、操作简单方便的系统界 面，利用v i s u a lb a s i c 6 0 对基本构件柱与梁和实际起重机典型结构稳定性计算的 功能模块进行设计，通过文档自动生成技术实现计算报告文件的自动生成；对 系统的附属功能进行设计以使系统更加完善。 1 3 与本课题研究相关的国内外的发展现状 1 3 1 与本课题相关的钢结构稳定性计算理论的发展现状 目前，由于梁柱理论的发展，用梁柱理论分析双向压弯构件的稳定性的研 究取得了不少成果，为规范提供了实用的计算公式，但是对于不同支撑条件下 的变截面构件应如何正确使用这些公式还有待进一步研究。对于实腹式构件的 局部稳定性问题，国内外学者也进行了大量的研究工作，例如，用大挠度理论 研究板的超屈曲性能；弹塑阶段板的稳定理论；带肋板，尤其是带斜肋的板的 稳定性理论；箱形实腹式构件的局部屈曲时的约束条件的研究等。一些研究成 果已被设计规范采纳。近几十年来，一些新的计算方法经理论和实践的证明是 正确的，相关设计规范的计算方法也随之更新，目前的起重机设计规范和塔式 武汉理工大学硕士学位论文 起重机设计规范的最新版本是g b t 3 8 1 1 2 0 0 8 起重机设计规范和g b t 1 3 7 5 2 - - 9 2 塔式起重机设计规范。 对于门座起重机的钢丝绳变幅的单臂架的稳定性计算，目前常采用以下假 设：在变幅平面内，假定臂架为两端铰接的简支构件；在回转平面内，臂架视 为一端固定、一端自由的悬臂构件。虽然这种假定并不能真实地反映支座和断 面变化规律对整体稳定性的影响，但实践证明这种简化假定还是可行的。对于 齿条、螺杆或液压缸变幅的单臂架的稳定性计算，常采用以下假设：一是在变 幅平面内，假定臂架为带外伸臂的简支构件；在回转平面内，臂架视为一端固 定、一端自由的悬臂构件，二是将臂架在变幅平面和回转平面内假定为固定端 位置不同的一端固定、一端自由的悬臂构件。门座起重机的刚性四连杆组合臂 架的臂架的稳定性计算假设和齿条、螺杆或液压缸变幅的单臂架的稳定性计算 假设相同。对于刚性四连杆组合臂架的臂架在回转平面内挠曲时，钢丝绳张力 和拉杆拉力( 通过象臂架) 对臂架头部的侧向位移的约束作用可以通过在确定 回转平面内的长度系数i “，时加以考虑，但大拉杆的侧向反力有时( 取决于其侧 向抗弯刚性) 对臂架头部的更大约束作用目前尚缺乏深入的研究，还不能在计 算中给予定量的反映【l j 。 目前对于附着式塔式起重机塔身的稳定性计算有如下几种： ( 1 ) 只考虑最上面一道附着装置对塔身的约束作用，将塔身看成是一端固 定、一端铰支的带外伸臂的构件进行稳定性计算。这是目前广泛采用的塔身稳 定性计算方法。这种处理方法虽然便于计算，但实际上中间各道附着装置对塔 身的约束作用也是相当大的，是不能忽略的。这种方法过于保守，适合于对塔 身的稳定性做近似计算。 ( 2 ) 将塔身最上面一道附着以上的部分视为悬臂梁，只对此悬臂梁进行稳 定性计算，计算长度取2 倍的此悬臂梁的长度。但实际上最上面一道附着处的 截面转角并不为0 ，因此这种简化计算的计算长度取得不足，没有考虑各道附着 杆的实际约束作用1 2 j 。 ( 3 ) 将塔身分为下部多跨刚性支承连续压杆和上部外伸压弯悬臂柱两部 分，对两部分分别进行稳定性计算，这种处理方法将上部外伸段视为弹性支承 上的悬臂柱。这种方法是对第2 种稳定性计算方法的改进，但没有考虑附着装 置刚性对塔身稳定性的影响。 ( 4 ) 考虑附着装置刚性对塔身的稳定性影响，研究在弹性支承下塔身的稳 定性的计算方法，在实际计算中，将附着装置按刚性附着和柔性附着分开考虑， 4 武汉理工大学硕士学位论文 这种计算方式最为合理。因此许多学者运用结构稳定性的相关经典理论和有限 单元法等围绕这两种不同支撑条件下塔身的稳定性计算方法进行了大量而深入 的研究，其中的一些成果己被规范采用1 3 j 。 双吊点水平臂架是目前塔式起重机广泛采用的一种结构形式，但由于其为 超静定结构，实际计算很麻烦，其整体稳定性校核却一直是困扰设计者的难题， 无论是g b t 3 8 1 1 2 0 0 8 起重机设计规范还是g b t 1 3 7 5 2 9 2 塔式起重 机设计规范都没有给出足够的说明，虽有众多专家学者做了大量研究，但至 今仍然存在诸多不同的观点。在对双吊点臂架进行整体稳定性校核，会用到塔 式起重机设计规范( g b t 1 3 7 5 2 9 2 ) 中的公式( 3 1 ) ，虽然很多学者对公式( 3 1 ) 进行过研究，但在具体应用过程中由于双吊点臂架结构的特殊性，对公式中m h 、 m o 、c n 、c 辟等参数的理解及应用不太一致，计算结果也各不相同l l 引，如何正 确的使用该公式对双吊点臂架的整体稳定性进行校核还有待进一步的研究。 在对双吊点臂架的起升平面做整体稳定性校核时，一般认为臂架作为一个 整体结构，无论以内跨段还是外跨段位研究对象，均能反映臂架的整体稳定情 况，即同一工况下分段计算的结果应该基本一致。但有学者通过研究表明两种 计算方法得出的结果存在很大差异【1 8 1 。塔机吊臂的失稳往往发生在回转平面， 因为回转平面内的计算长度大于起升平面【1 9 1 。以往在对双吊点臂架在回转平面 进行稳定性计算时，常将其看成是一端固定、一端自由的悬臂梁，取2 倍的该 悬臂梁的实际长度作为计算长度进行稳定性计算，但不合理( 偏于保守) ，因为 当吊臂在回转平面内屈曲变形时，拉杆对吊臂压力的方向将会由于拉杆位置的 变化而发生改变( 称为“非保向力”) 从而产生恢复力，使吊臂端部不可能完全 自由屈曲，因而计算长度应小于2 倍的悬臂实际长度【2 0 】。因此目前对双吊点臂 架在回转平面内的计算长度系数的确定方面研究的较多，其中的一些成果也被 规范所采用。 1 3 2 与钢结构稳定计算相关的软件的发展现状 随着电子计算机硬件和软件的不断发展和完善，计算机因其功能的日益扩 大已成为大型工程结构设计最有效的工具，目前计算机辅助设计已经发展到了 大规模实用的阶段。目前国外的有限元分析软件有a b a q u s 、a n s y s 和 n a s t r a n 等。a b a q u s 软件致力于复杂和深入的工程问题，其强大的非线性 分析功能在设计和研究的高端用户群中得到了广泛的认可。a n s y s 软件在致力 武汉理工大学硕士学位论文 于线性分析的用户中具有很好的声誉，它在计算机资源的利用，用户界面开发 等方面也做出了较大的贡献。n a s t r a n 长于线性有限元分析和动力计算，因为 和n a s a ( 美国国家宇航局) 的特殊关系，它在航空航天领域有着崇高的地位。国 内的有限元分析软件有大连理工大学工程力学系的f i f e x 9 5 、北京大学力学与 工程科学系的s a p 8 4 和中国农机科学研究院的m a s 5 0 等。这些软件都能够计 算许多从简单到复杂的钢结构分析计算问题，但由于结构稳定性问题的复杂性， 现有的很多有限元分析软件虽然也能够进行分析，但在实际结构的设计中更多 的是用来对结构的稳定性进行估计和探索，如果要得到与实际结构比较符合的 稳定性计算结果，还需要对稳定性的分析方法做进一步的研究。而且这些软件 对使用者的专业水平要求较高，目前在国内主要在高校和大型科研院所使用。 国外的建筑结构分析和设计软件e t a b s 、g t s t r u d l 、s a p 2 0 0 0 、s t a a d p r o 和国内中国建筑科学研究院c a d 工程部开发的p k p m 等，也可以对钢结构 完成有限元的分析和设计。 专业的钢结构辅助设计软件有国外的s t r u c a d 和国内同济大学开发的m t s 、 3 d 3 s 和浙江大学开发的m s t c a d 等。这些软件主要用于建筑行业的钢结构的 分析和计算。 目前国内的专业钢结构辅助设计软件很多，既有通用的钢结构设计软件， 也有专门针对某种钢结构形式的软件，这些软件主要面向建筑行业，而且由于 建筑行业的钢结构的形式的多样性，这些软件在有些方面还没有涉及或不够完 善，因此在建筑钢结构领域钢结构计算软件的开发还有较大空间。在建筑行业 之外，石油、化工、矿山以及起重运输和工程机械等领域也是钢结构大量使用 的领域，而在这些领域，还没有广泛采用的钢结构辅助设计软件。虽然也有极 少数研究者对相关的钢结构辅助设计软件进行研究，如太原科技大学徐格宁和 李宏娟开发的基于许用应力和极限状态设计方法的通用桥式起重机结构c a d ； 哈尔滨工业大学硕士研究生赵欣开发的格构式塔机结构通用计算分析系统，但 这些软件由于面向对象单一、受企业委托开发和需借助于有限元软件作为开发 平台等中的某一或某些原因，应用范围还很有限。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章计算机辅助设计系统的开发方法及相关技术 2 1 计算机辅助设计概述 计算机辅助设计的简称是c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 。计算机辅助设计 是把人与计算机的优点结合起来，来对产品进行辅助设计与分析的一种技术， 是综合了计算机与工程设计方法的最新发展而形成的一门新兴学科。 计算机具有运算速度快、精度高、不会疲倦以及不容易出错等特点。人的 特点是：具有很强的逻辑推理和判断能力，具有进一步学习来完善自我的能力， 能够对所见所闻进行联想，具有创造能力以及具有专业知识和经验。在很多情 况下，人与计算机的这些特性可以互补。使用c a d ，通过人机交互方式，可以 实现人与计算机的充分交流，从而发挥各自的优势，来快速、准确地完成对产 品的设计。 计算机辅助设计具有科学计算与分析功能、图形处理功能、数据管理与数 据交换功能、文档处理功能、软件设计功能和网络功能。 与传统的设计相比，计算机辅助设计具有相当大的优越性，具体体现在如 下几个方面： ( 1 ) 可以提高设计效率并缩短设计周期。采用计算机辅助设计，能够极大 地减少计算、绘图和查找资料的时间，从而使设计速度得到很大提高。 ( 2 ) 可以提高设计质量。在传统的设计过程中，有时为了节省时间和精力， 常常对计算量进行减少，因而计算结果的准确度不高，而且一些错误在设计时 常常难以被察觉。但在计算机辅助设计中，由于所建立的模型通常都很准确， 所以计算结果的准确度很高，并且还能够进行动态分析、可靠性分析以及优化 设计等，因此计算的结果更加可靠。与传统的设计相比，所设计的产品也更具 竞争力。另外，对于设计人员来说，由于采用计算机辅助设计能够使他们摆脱 繁琐、简单以及重复的工作，因而设计人员可以集中精力对产品进行创新设计， 提高产品的竞争力。 ( 3 ) 使各部门之间的信息交流迅速和可靠。在传统的设计中，设计是以图 纸为媒介来交流的，但是图纸的制作和传递等往往要较长的时间，因此各个部 门之间信息的交流就受到了影响。在计算机辅助设计系统中，信息能够以电子 7 武汉理工大学硕士学位论文 文档为媒介来进行传递，因此各个部门之间的信息交流更加迅速和可靠。另外， 随着计算机辅助设计和计算机辅助制造技术的发展，计算机辅助设计的信息能 够直接转化成计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助制造所需的信息，为计算 机集成制造的实现奠定了基础。 ( 4 ) 使设计与分析工作模式统一。计算机辅助设计系统中包含了很多的设 计程序和分析程序，设计人员可以实时操作计算机辅助设计系统来对产品进行 不断地设计和分析，以此来获得最好的设计。 ( 5 ) 有利于产品标准化、系列化和通用化。设计人员可以利用计算机辅助 设计系统建立标准图以及标准设计库，也可以对原设计中的参数进行修改得到 新的设计。由于能够使以前的设计得到充分的利用，所以计算机辅助设计系统 在产品的标准化、系列化和通用化方面有很大的优势。 2 2 计算机辅助设计系统的开发方法 2 2 1 计算机辅助设计系统的开发原理 计算机辅助设计技术是一门综合而复杂的技术，其发展涉及到计算机科学 与技术、数据库技术以及计算数学等众多学科和专业。与其它的应用软件相比， 计算机辅助设计应用软件的规模比较大、繁琐程度也相对较高，是一个项非常 庞大而且复杂的系统工程。所以，在开发计算机辅助设计系统前应深入理解计 算机辅助设计系统的开发原理，其原理如下： ( 1 ) 对问题进行抽象。因为计算机是不能对现实中的问题进行直接处理的， 所以先要把需要解决的问题抽象为计算机能够处理的形式以后，再让计算机去 解决。 ( 2 ) 对问题进行分解。在解决复杂问题时，通过将问题进行分解可以使复 杂的问题变得容易解决。将复杂的问题分解成若干容易解决的小问题，只需要 解决分解后的所有小问题就可以完成对复杂问题的处理。 ( 3 ) 局部化和信息隐蔽。局部化就是将问题尽量在局部区域内得到解决， 尽可能在局部范围内定义和处理数据。通过局部化，可以使在局部范围内定义 的数据和过程不能被共享，也就实现了信息隐蔽。 ( 4 ) 一致性。在整个系统中，一切表示方法应该具有一致性。采用_ 致性 原理可以使程序可读性在很大程度上得到提高，并能够提高系统的可维护性。 8 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 模块独立性。模块独立性是指所开发的系统模块间没有过多的联系， 做到使系统的各个模块相互独立，这样便于系统的修改和维护。 2 2 2 计算机辅助设计系统的开发方法 计算机辅助设计系统的开发方法比较多，每种方法都各有特点，理解各种 开发方法并了解它们的特点是开发计算机辅助设计系统的重要前提。常用的开 发方法有结构化方法、面向对象方法和专家系统方法。 ( 1 ) 结构化方法。结构化方法是运用最广泛的方法，它是由美国i b m 公司 的w s t e v e n s ，g m y e r s 和l c o n s t a n t i n e 等人提出来的，这种方法以功能为核心 来对系统进行设计。在结构化方法里面，系统的基本组成部分是模块。它的基 本要点是：自顶向下、逐步求进，将系统的功能按照层次分解。 对于开发者来说，能够很方便地来设计系统；对于使用系统的人员来说， 不仅对所开发的系统有系统的概念和认识，而且还能够了解系统的某个详细构 成部分以及功能细节，可以及时地知道结果并给出相关建议。结构化方法能够 让使用系统的人员参与系统开发，对系统进行分析时，突出系统可以“做什么”， 对系统进行设计时，突出系统应该“如何做 ，用这种方法可以使界面十分清楚， 很容易被系统开发者和使用人员接受。这种方法重点思考怎样使所开发的系统 结构质量良好，它把任务分解为一些子任务，这些任务都有相应的模块与之对 应。而且，只需使最小模块不是错误的即可。这种方法划分系统模块时按照如 下所述来划分：要让每个模块的功能之间相对来说相互独立。各个模块能够单 独被编制、检测、查错以及修改。因此，它能够让开发工作变得容易，而且因 为模块的独立性，很好地阻止了错误影响其它模块，所以使系统变得更加可靠； 还要让模块之间的关联程度尽可能小，模块内部的关联程度尽可能大。模块之 间的关联主要表现在以下三方面： 一是模块之间的关联方式可以是数据之间直接进行联系，也可以是用语句直 接调用其它模块； 二是模块之间共同使用的内容，可以是共同使用的数据，也可以是共同使用 的控制信息，甚至可以是两者都有的混合在一起的内容； 三是模块之间共同使用的内容的数量，共同使用的内容的数量越多，它们之 间的关联程度就越大。 ( 2 ) 面向对象方法。这种方法是以现实中的元素为核心来对软件进行设计。 9 武汉理工大学硕士学位论文 在面向对象方法里面，软件的组成部分是对象。对于开发者，对象是把数据以 及使用它们的一些操纵进行集中的集合；对于使用者，对象是有着一定属性和 一定表现的元素。对象具有标识唯一性、分类性、多态性、继承性和封装性等 特性。 ( 3 ) 专家系统方法。这种方法是根据知识来对软件进行设计。这种方法采 用人工智能，运用专家的理论和他们的经验来推断，以此来使难题得到解决。 在专家系统方法里面，软件的组成部分是知识以及运用它们的推断机制。这种 方法是借助查找在问题范畴中的理论以及经验，并对它们进行处理以及叙述， 利用知识间的推理来对软件进行开发。 以上所述的开发方法各有其自身的特点。从它们的基本概念