（机械工程专业论文）门座起重机臂架及人字架结构的有限元分析.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 摘要 臂架和人字架是门座起重机的重要承载部件，也是结构强度薄弱的环节，其 力学性能对整机的正常运转有直接影响。目前的设计方法主要是通过经验公式进 行强度的校核，由于使用近似模型计算，设计冗余量较大，导致起重机自重较大， 而且对于设计可能造成的薄弱截面位置没有很好的预见性。而采用有限元软件进 行结构分析，能够建立精确的结构几何模型，设定准确的边界条件和载荷，更接 近实际工况，从而使最终计算结果更准确，同时可以清楚地得到整个结构的应力 分布状态。利用a n s y s 软件进行结构分析，可以对结构设计的强度危险部位进 行改进和优化，使结构更为合理和安全。 本论文采用a n s y s 作为有限元分析工具，对造船用门座起重机m q l 6 8 5 的 臂架及人字架结构进行建模、加载及分析，按照许用应力法对关键结构件臂架及 人字架系统进行强度校核，分析结果显示该型号臂架及入字架设计满足使用强度 要求。本论文的主要工作如下： 1 分析了门座起重机的结构特点、用途、分类和没计特点；介绍了有限元 软件a n s y s 的功能、特点和分析流程，以及进行结构分析的模块及分析步骤。 2 根据门座起重机的应用条件、环境和承载工况及相关起重机设计规范和 标准，确定1 2 种典型极限工况及载荷加载情况。 3 根据臂架及人字架钢结构的受力特点，运用a n s y s 建立有限元模型，确 定危险工况，对危险工况在各载荷组合作用下臂架结构和人字架结构的应力分布 进行详细的有限元法分析，并对其强度进行评定。 本论文对门座起重机的臂架和人字架的结构有限元分析的方法对其他钢结 构件的设汁和分析有一定的借鉴意义，具有很好的工程应用价值。 关键词：门座起重机；臂架；人字架；结构强度；有限元法：a n s y s 、 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 a bs t r a c t b o o ma n da - s t r u c t u r ew e r et h ei m p o r t a n tl o a db e a r i n gp a r t s ，h a dt h ew e a k e s t s t r u c t u r es t r e n g t h ，i t sm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c eh a dd i r e c ti n f l u e n c eo nc r a n e s o p e r a t i n gp e r f o r m a n c e e x p e r i e n c e df o r m u l aw a su s u a l l yu s e dt oc h e c k t h es t r e n g t hi n c u r r e n td e s i g nm e t h o d b e c a u s eo fa p p r o x i m a t em o d e l ，t h e r ew a sm u c hr e d u n d a n t c o n s i d e r a t i o n ；t h i sl e dt ou n n e c e s s a r yh e a v ys e l fw e i g h t t h em o s td a n g e r o u sp o s i t i o n o ns t r u c t u r ec o u l dn o tb ep r e d i c t e de x a c t l yw i t ht h et r a d i t i o n a lm e t h o d f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sw a st h em e t h o dc o u l db u i l dp r e c i s eg e o m e t r ym o d e l ，s e te x a c tb o u n d a r y c o n d i t i o na n dl o a d t h i sw a sm o r es i m i l a rt oa c t u a ls i t u a t i o n s ol e dt om o r ep r e c i s e r e s u l t ，a l s ot h ew h o l es t r e s sl a y o u tc o u l db ec h e c k e dm o r ec l e a r a n dt h o u g ha n s y s b a s e ds t r u c t u r ea n a l y s i s ，t h ed e s i g no p t i m i z a t i o na n di m p r o v e m e n tc o u l db e d o n ew i t h d a n g e r o u ss e c t i o n a n dm a d es t e e ls t r u c t u r em o r es a f ea n dr e a s o n a b l e a n s y s s o f t w a r ea sf e at o o lw a su s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n m a d es t r u c t u r ea n a l y s i so fs h i p y a r d p o r t a lc r a n e ，i n c l u d em o d e l i n g ，l o a d i n ga n da n a l y z i n g a l l o w a b l es t r e s sm e t h o dw a s u s e dt oc h e c ks t r e n g t ht h eb o o ms y s t e ma n da s t r u c t u r e t h ea n a l y s i sr e s u l t d e m o n s t r a t e dt h a tt h i st y p ec r a n eh a dr e a c h e dt h er e q u i r e m e n t so fs t r e n g t h m a i n w o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o nw a s ： 1 s t r u c t u r ec h a r a c t e r s ，c l a s s i f i c a t i o n ，a p p l i c a t i o na n dd e s i g nc h a r a c t e r so f p o r t a lc r a n ew e r ei n t r o d u c e d ；f u n c t i o n s c h a r a c t e r sa n da n a l y s i sf l o wo fa n a s y s f e as o f t w a r ew e r ei n t r o d u c e d s oa st om e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n a l y s i sm o d u l ea n d a n a l y s i ss t e p s 2 a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s e n v i r o n m e n ta n d1 0 a dc o n d i t i o n so fp o r t a lc r a n e w e r ei n t r o d u c e d d e t e r m i n e dl2k i n d so ft y p i c a lu l t i m a t el o a dc o n d i t i o n sa n dl o a d i n g m e t h o da c c o r d i n gt or e l a t i v ec r a n ed e s i g ns p e c i f i c a t i o na n ds t a n d a r d 3 a c c o r d i n gt om e c h a n i c a lf e a t u r e so fb o o ms t e e ls t r u c t u r ea n da s t r u c t u r e b a s e do na n s y s ，u n d e rd i f f e r e n tl o a dc o m b i n a t i o nc o n d i t i o n s ，f e am o d e lw a sb u i l t a n dc o n f i r m e dw i t hm o s td a n g e r o u sw o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ed e t a i l e df e ao fs t r e s s 1 a y o u to fb o o ms y s t e ma n da s t r u c t u r ew e r em a d ea n dc h e c k e dt h es t r e n g t hs a f e f i n a l l y t h ew o r ko ff e a a n a l y s i so fb o o ms t r u c t u r ea n da s t r u c t u r ei nt h i sd i s s e r t a t i o n h o p e f u l l yc o n t r i b u t e dt o o t h e rs t e e ls t r u c t u r e s d e s i g na n da n a l y s i s ，h a dg o o d e n g i n e e r i n gv a l u e k e yw o r d s ：p o r t a lc r a n e ；b o o m ；a - f r a m e ；s t r u c t u r es t r e n g t h ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； a n s y s 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 课题的背景与意义 第1 章绪论 本课题结合某起重机公司m q l 6 8 5 造船用门座起重机的设计及结构分析进 行。根据该型号起重机的使用条件，通过对不同工况及极限状态下起重机载荷分 析计算，利用a n s y s 软件对起重机整体进行建模、划分单元及网格、加载。对 门座起重机的重要承载部件臂架及人字架系统进行有限元结构分析，根据结构分 析得到应力分布云图和极限值，模拟得到的最大应力值与材料允许最大应力值进 行比较，对臂架及人字架系统的结构进行强度判定。 该课题的意义在于使用a n s y s 软件进行结构分析，可以准确的施加载荷和 定义约束，便于详细了解钢结构的应力分布，从而对设计做出优化，在保证强度 的前提下体现设计的经济性和合理性。 1 2 起重机的发展概况及其作用 1 2 1 起重机的发展概况 自有人类文明以来，物料搬运就成为人类活动的重要组成部分，距今已经有 五千多年的历史。随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要 设备的起重机在现代化生产过程中应用也越来越广泛。因此起重运输机械在国民 经济中有着十分重要的地位。提高起重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 美元，美国某厂生产流程中物料搬运所用的工时占 总生产周期的2 0 。1 9 7 4 年英国工业部下属的物料搬运费用调查委员会曾对3 0 家公司进行调查指出：“工序间的物料搬运费用占加工费的1 2 以上，如加上工 序内和工厂外的搬运费用估计要达到成本的2 0 2 5 ”。英国每年用于工厂及工 地物料搬运的费用高达1 0 亿英磅，相当于全国工资支出的九分之一。德国 d e m a g 公司也曾作过详细调查，证实物料搬运费用占生产费用的4 5 ( 工序间 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 物料搬运占3 0 ，工序内的物料搬运费用占1 5 ) 。前苏联用于运输的费用每年 高达8 6 7 亿卢布，其中装卸费用为2 1 7 亿卢布，占总运输费用的四分之一。我国 的东风汽车厂也曾经作过统计，汽车零件在工厂中的加工工时仅占5 ，其它9 5 的工时均用在搬运和储存之中。生产1 吨产品要把物料提升5 0 吨次，生产1 吨 铸件要搬运8 0 吨次，东风汽车一的生产能力原定为1 0 万辆，物料搬运设备占了 总设备的很大部分。由此看到，作为物料搬运设备重要组成的起重机的需求量是 十分可观的，起重机械行业有着广阔的前景。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。 长期以来，起重机的设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论、半 经验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法，设计过程反复多，周期长，设计 的精确度较低。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【2 i 。 1 2 2 起重机的有关概念 起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的设备。它是现 代化生产必不可少的重要机械设备，对于减轻繁重的体力劳动、提高劳动生产率 和实现生产过程的机械化、自动化以及改善人民的物质、文化生活需要都具有重 大的意义引。 起重机械在工矿企j 瞅港口码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇宙航 行等各个工业部门都有广泛应用。它不仅可以作为辅助生产设备，完成原料、半 成品、产品的装卸、搬运，进行机电设备的安装、维修，也是一些生产过程( o n 钢铁冶金生产) 工艺操作中的必需设备。 起重机械发展到现在，已经成为合理组织成批大量生产和机械化流水作业的 基础，是现代化生产的重要标志之一。在我国现代化的发展和各个工业部门机械 化水平、劳动生产率的提高中，起重机械必将发挥更大的作用。 江苏大学工程硕士学位论文 在各种不同类型的起重机中，门座起重机是我国研制最早、一种重要又具有 代表性的旋转类型的有轨运行式起重机。现代门座起重机广泛应用于港口、码头 货物的机械化装卸，造船厂船舶的施工、安装以及大型水电站工地的建坝工程中， 对于减轻繁重的体力劳动，改善工人的操作条件，提高劳动生产率都有着很大的 意义，是实现生产过程机械化不可缺少的重要设备。 起重机是物料搬运的主要设备，起重机械是由金属结构、动力装置、工作机 构和控制系统四大部分组成 4 1 。 ( 1 ) 金属结构 金属结构是起重机的骨架，是安装各机构和支托它们全部重量的主体部分。 ( 2 ) 动力装置 动力装置是起重机的动力源，是最重要的起重机组成部分。它在很大程度上 决定了起重机的性能和构造特点。 ( 3 ) 工作机构 工作机构为实现起重机不同运动要求而设置的，不同类型的起重机工作机构 有所不同。起重机最基本的工作机构有起升、变幅、回转和行走四大工作机构。 ( 4 ) 控制系统 控制系统包括操纵装置和安全装置。通过控制系统实现各机构的启动、调速、 换向、制动和停止，从而达到起重机作业所要求的各种动作。同时，保证起重机 安全作业。 起重机有桥架型、缆索型和臂架型三大类型【5 8 1 。根据用途和使用场合的不 同，起重机有多种形式，但其共同特点是整机结构和工作机构较为复杂。工作时， 能独立和同时完成多个工作动作。因本文研究对象是门座起重机，属于桥架型起 重机，就着重介绍桥架型起重机。 桥架型起重机主要有梁式起重机、桥式起重机、装卸桥和门座起重机四种类 型。其特点是吊钩悬挂在沿桥架运行的起重机小车或起重葫芦上，使重物在空间 垂直升降和水平移动。 ( 1 ) 梁式起重机采用电动梁结构，跨度小，结构简单，在地面操作起重机的 工作。用于起重量较小的工作场所。 ( 2 ) 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，跨度大， 、 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 在主梁下有操纵驾驶室。用于起重量大，工作速度快的工作场所。 ( 3 ) 装卸桥起重机多采用桁架结构，主梁跨度大，要求起重小车运行速度快， 从而保证装卸生产率。用于冶金厂、发电厂、码头装卸散料以及港口集装箱的装 卸工作。 ( 4 ) 门座起重机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”字的形状，亦称龙门起重机。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。 起重机的基本参数是说明起重机械的工作性能和技术经济指标，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【5 8 1 。 ( 1 ) 起重量q 起重机起吊重物的质量称为起重量，一般以吨为单位，但按照国际单位制应 以牛顿为单位。起重量依国家标准己成为一个系列，起重机设计时须按照这一系 列进行。起重量大的桥式起重机常备有主副两套起升机构。副钩的起重量约为主 钩的五分之一到三分之一。 ( 2 ) 起升高度h 起升高度是指白地面或轨面到吊钩钩口中心的距离，用h 表示，单位为米。 通常以额定起升高度表示。 ( 3 ) 跨度l 指桥式起重机大车运行轨道中心线之间的距离，单位为米。国标中有桥式起 重机跨度的标准。 ( 4 ) 工作速度v 指起重机的各机构( 起升、运行、变幅和旋转) 的工作速度，单位为米分。机 构的工作速度是根据工作要求来定的。 ( 5 ) 外形尺寸和自重 这是任何一种机器应有的技术经济指标，它不仅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，以达到紧凑而轻便。 1 2 3 起重机械在物料搬运中的作用 起重运输机械作为物料搬运工具，装备着国民经济的各个部门，在现代化生 4 江苏大学工程硕士学位论文 产中占有重要地位。起重运输机械，在完成一个工作过程中，一般都包括“储、 装、运、卸”作业，因而对于提高生产能力、保证产品质量、减轻劳动强度、降 低生产成本、提高运输效率、加快物资周转、流通等方面均有着重要的影响，对 安全生产、减少事故更有显著作用。现代的搬运技术己超越了单纯地减轻体力劳 动这一传统概念，必须根据系统的需要，及时地、迅速地、有节奏地将必要的原 材料或零部件，在规定的时间里，送到必要的工艺位置卜。否则，现代化的生产 是不可能的。如果看看现代化大规模生产的汽车工业、冶炼工业、电子工业以及 先进高效的加工中心、数控机床、装配自动线，就会深深感到我国的物料搬运机 械与二 业发达国家相比还很有差距。现在常有种说法：物料搬运技术是现代i _ , l k 中最薄弱、最迫切要解决的问题之一。随着现代工业的迅速发展和生产规模的扩 大，物料搬运费在生产成本中的t ：l n 越来越高。从而可以看出，提高搬运技术将 是降低产品成本最有潜力的一个途径。 如在机械工业方面，所有制造工业的每道工序以及工序之间都需要装卸、运 输、堆垛等项作业的配合。搬运作业贯穿在生产的全过程中，物料搬运机械把各 道工序有机地连接起来，成为整个生产系统的一个组成部分。机械工厂的物料搬 运次数是很频繁的，每生产一吨产品，1 般在机械加工方面约为五十吨的装卸搬 运量，在铸造方面约为八十吨搬运量。物料搬运费用在整个生产中几乎与机械加 工费用相等。 1 3 门座起重机的用途及构造 本文主要研究的是门座起重机。门座起重机是一种重要而又具有代表性的旋 转类型的有轨运行式起重机，它具有能让运输车辆顺利通过的门架结构而得名 【5 1 。现代门座起重机广泛应用于港口、码头货物的机械化装卸，造船厂船舶的施 工、安装以及大型水电站工地的建坝工程中，对于减轻繁重的体力劳动，改善公 认的操作条件，提高劳动生产率都具有重大意义，是实现生产过程机械化不可缺 少的重要设备一j 。 门座起重机的构造分为两大部分，即上部旋转部分和下部运行部分。上部旋 转部分相对下部运行部分可以实现整周旋转，包括臂架系统、人字架、旋转平台、 司机室等，同时还安装有起升机构、变幅机构和旋转机构。通过起升、变幅、旋 、 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 转三种运动组合可以在一个环形圆柱体空间实现物品的升降。下部运行部分主要 由门架和运行机构组成。 以起重臂的结构形式为主要标志，门座起重机可以分为四连杆组合臂架式门 座起重机和单臂架式门座起重机两种。前者的最大优点在于臂架下面的净空高度 较大，因而在一定的起升高度要求下，起重机的总高度可以降低，但结构较复杂、 重量较大，而后者恰恰相反。目前国内使用前种型式居多。本文分析的门座起重 机为单臂架式门座起重机，如图1 1 所示。 门座起重机的四连杆结构是由象鼻梁、刚性拉杆、臂架以及机架通过铰轴组 合而成，以实现变幅过程中物品的水平移动。其中臂架是支承象鼻梁的重要构件， 其下端通过铰轴与旋转平台相连接，中部与变幅传动装置( 如螺杆、齿条) 、臂架 平衡系统相铰接，因此臂架是一根悬臂的压弯构件 1 0 - 12 1 。 1 4 门座起重机的工程背景 2 0 世纪5 0 年代中期，港口机械运输在美国脱颖而出，由于其具有安全、高 效、廉价、货损小等特点，使得港口运输得到了快速发展，并迅速发展成为远程 运输的主要形式。9 5 国际贸易量是通过港口和海运业承担的。门座起重机作为 门座码头堆场进行装卸、搬运和堆码作业的专用机械，具有高效利用堆场、堆场 建设费用相对较低，机动灵活，通用性强等优点【i3 1 。世界上大多数的港口所使用 的门座起重机如图1 2 所示。 随着现代工业的迅速发展和国内外市场竞争的日益加剧，港口装卸机械在现 代化生产过程中的应用越来越广，港口的发展对港口机械的要求也越来越高。门 座起重机规格和各种参数要求正向大型、高速、自动化和智能化的方向发展。用 户对门机参数要求也越来越高，起升高度与起重量的要求不断被提高，操控方式 以及安全要求也更加先进，对操作舒适度的要求也更加严格，甚至对环保的要求 也日益提上更高的层面。先进技术的采用使用户要求的提高成为可能，但考虑到 门机自身独有的特点，对设计提出了更高的要求。其中对设计影响最大的是起重 量增加的问题。由于起重量的变化，导致诸多设计上的变化，比如钢结构、各机 构配件以及自重的变化等。特别是钢结构，即要求提高其极限承载力，在起重机 工作时不至于出现强度或稳定性破坏，同时要求以经济的方法来实现最大的起重 6 江苏大学工程硕士学位论文 且 里0 i 行走目l 掬2 同简i j 禁3 转台4 起升机心5 人 配重系统7 人 i f r 绞支鹾8 人扎f t9 小托f t 绞支哑l l 蹙l - 1 齿条l ：f 臂柴1 3 ，象肄梁1 4 吊 耋、￥ 霪 感 图1 1 门座起重机的结构示意幽图1 2 隧i 筒门座起重机 f i g 1 1s t r u c t u r es c h e m eo fp o r t a lc r a n ef i g 1 2c y l i n d e rp o r t a lc r a n e 1 5 国内外研究现状及发展趋势 1 5 1 门座起重机的研究现状 长期以来，门座起重机的设汁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。生产出来的起重机存在着自重大，起重量小、在实际工况下的 安全性和可靠性差等缺点。随着现代2 k _ , l k 的迅速发展和国内外市场竞争的加剧， 门座起重机在现代化生产过程中应用越来越广、作用愈来愈大，对门座起重机的 要求也越来越高。因此门座起重机的设计计算方法需不断地充实、完善，使设计 出的门座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。 1 5 2 门座起重机设计的发展趋势 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，使门座起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。 壤壤 7 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 现代门座起重机的主要设计方法主要有： 1 ) 极限状态设计方法 在门座起重机钢结构设计中，长期以来采用的是许用应力法，这种方法使用 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 效的概率来估算门座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 l l 7 8 8 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 模块化设计是离散分析设计方法的一种。根据事物的可分性，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 功能可以采用己有的产品解，而具有新型解的专用功能只是少数，因此，在专用 机械设计巾采用功能化的产品结构，对于评价专用机械的设计、制造风险十分有 效。 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) ，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。 门座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 个门座起重机行业的技术、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。对门座起重机进行改进只需针对某几个模块。设计新型的门座起重 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 江苏大学工程硕士学位论文 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。用户在现有门座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门座起重机，以尽 可能多的品种，满足市场需求，增强竞争能力。门座起重机由于具有标准接口的 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门座起重机系列设计。 4 ) 虚拟化设计方法 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 尖端技术即虚拟现实技 术。 虚拟设汁可以缩短产品更新换代的周期，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1 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 尖端技术己逐步深入到设计的 各个阶段和设计工作所涉及的各个领域。不仅能利用计算机使其运算速度快、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 且还能通过人机交互，最大限度地发挥设计人员的创造力和经验。 5 ) 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 9 门座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 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。随着计算机技术的发展，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。对于大型门座起重机和特殊、关键零部件的设计计算及局部应力分析，采 用有限元法更具有优越性。 6 ) 优化设计 长期以来，门座起重机设计一直沿用经验类比设计方法，不仅需要花费较多 的设计时问，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。龙门起重机采 用优化设计方法，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。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l ! , l ( 1 l l n 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( i p 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 江苏大学工程硕士学位论文 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 于不同结构的优化，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：杆单元或梁单元的截面尺寸、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。 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门座 起重机臂架人字架优化设计。大多以重量最轻为目标函数：以后又逐步扩展到臂 架、零部件和机构的优化。但由于门座起重机是成系列、成批量的产品，单目标 优化己逐渐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门座起重机设计者关心。我国曾采用多级模糊综 合评判方法，综合考虑门座起重机性能、成本、工艺、生产管理、制造批量和使 用维护等多种因素，达到用最少规格数量的零部件组成尽可能多的门座起重机规 格型号数，解决了门座起重机的整体优化问题，取得了一定的效果。今后在门座 起重机的方案选择、主参数匹配、丰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 5 2 本文主要研究内容 1 ) 根据门座起重机的应用条件、环境和承载工况及相关起重机设计规范和 标准，确定m q l 6 8 5 造船用门座起重机的1 2 种典型极限工况及载荷加载情况。 2 ) 根据臂架及人字架钢结构的受力特点，运用a n s y s 建立有限元模型， 确定危险工况，对危险工况在各载荷组合作用下臂架结构和人字架结构的应力分 布进行详细的有限元法分析，并对其强度进行评定。 1 6 本章小结 本章详细介绍了起重机的发展概况和门座起重的背景知识，包括门座起重机 的结构特点、分类、用途及构造。门座起重机作为使用广泛的港口、造船用起重 、 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 机，结构件的强度设计和校核是必要而且非常重要的环节，而采用a n s y s 软件 进行强度分析，不仅有利于精确计算应力分布和极限应力，而且可以根据计算分 析结果进行进一步的结构优化和设计改进。 江苏大学工程硕士学位论文 第二章有限元法及分析软件 2 1 有限元法基本概论 有限元法的思想起源于2 0 世纪5 0 年代处理飞机结构的矩阵分析。由于当时 电子计算机不普及，未能引起人们的重视，直到6 0 年代才被推广到弹性力学平 面问题的应用分析上，并开始采用“有限元素法”这一术语。半个世纪以来随着 电子计算机的广泛应用，有限元法不仅成为进行工程结构分析的重要数值方法， 而且被广泛应用于固体力学的各个分支，甚至流体力学、热传导、电磁场、地质 力学、生物力学等领域中，从结构计算扩展到结构优化设计，并向更高设计自动 化方向发展。有限元法的发展借助于两个重要工具：其理论指导采用矩阵方法， 在实际计算中则采用电子计算机。因此，在有限元法中，有限元、矩阵、计算机 是三位一一体的【1 4 1 7 1 。 有限元法是将结构划分成有限个不重叠的小单元。有限元法分析计算的思路 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。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，单元划分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己不 是原有的物体或结构物，而是由同样材料的众多单元以一定方式连结而成的离散 物体。这样，用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。如果划分单元数目非 常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 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，所以在有限单元法中位移法应用范 、 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 围最广。与采用位移法时，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、应变和应力等由节点位移来表示。这时可以对单元中位移分布采用一 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。 ( 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。这是单元分析中关键的一步，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。一般来说，建立刚度阵的方法有：直接方法：虚功 原理法洧邑量变分原理方法；仰辽金法等。 ( 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中去的。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 q ) = f )( 2 - 1 ) 式中， k 是整体结构的刚度矩阵； q ) 是节点位移列阵； f ) 是载荷列阵。 4 求解未知节点位移 解有限元方程式( 2 1 ) 得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合 适的计算方法。 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本思想是“一分一合”，分是为 了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析【1 8 】。 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 弹性力学基本方程与变分原理 用有限元法求解弹性连续体问题之前，先介绍线弹性理论的基本知识。弹性 力学是研究在载荷作用下弹性体中内力改变和变形规律的一门学科，主要研究弹 性体内的应变场、应力场、及应力与应变的关系。 1 弹性力学基本方程 弹性力学分析问题从静力学条件、。l 何学条件与物理学条件三方面考虑，分 别得到平衡微分方程、几何方程与物理方程，统称为弹性力学的基本方程。 弹性体在载荷的作用卜，体内任一点的应力、位移及应变可表示如下： 一 o - x ，仃x ，仃x 7 仃= 甜，v ，叫7 盯= g x ， g y ， 占z ， 砂， ) ，v z ) ，x i ( 2 2 ) 其中：仃为应力矩阵，仃、仃，仃为正应力，丁 、石 、f为剪 a yy l l 应力，“为位移矩阵矩阵，扰、y 、国分别为直角坐标系三个坐标方向的位 移分量；占为应变矩阵，占、占、占为正应变，y、y 、y 为剪应变。 xvz t x vv z。x z 对于三维问题，弹性力学基本方程如下： ( 1 ) 平衡方程：力和力矩平衡方程为 其中：f ，六，六为单位体积的体积力在x ，y ，z 方向的分量。 ( 2 3 ) 0 ( 0 = = = 一六 一 一六 + + + 亿ii堕玉 饥一妙帆一砂饥一砂 氓i 百眈百 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 ( 2 ) 几何方程：应变一一位移关系 0 , u o = g ! x a v x2 _ o y o w 文2 瓦 a n 8 v 厂。2 + _ 2 y 。 。 咖o x a 缈a y 厂。2 = 一+ _ = y 。 咖 o z a “0 0 ) ：。2 + _ = _ 2 o zo x ( 3 ) 物理方程：应力一一应变关系，也称为本构关系 其中：d 为弹性矩阵 d ：鱼! ! 二1 2 ( 1 + y ) ( 1 2 y ) 仃= d s 1 v 1 一y l ， 1 一y 1 一y 1 v 1 一y 1 7 1 一v y 1 一y l 00o o o0 0oo 式中：e 为弹性体材料的弹性模量，y 为泊松比。 则，应变协调方程为 1 6 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ! 口 o o o o o 乞一卜 一毅 l ” o o o o 乞一卜 o 一致 y y o o o 乞一卜 o o 一烈 江苏大学工程硕士学位论文 鱼+ 盟：2 盟 苏2 砂2 巩砂 堕+ 监：，盟 a x z8 z za x 8 z 堡+ 堕：7 盟 a z 。 劬z劫8 z 旦j 监+ 盟一监l ：堡 3 xl 砂 龙 孤- j 砂瑟 旦监+ 监一监 ：生 砂l 龙 o x 砂j 龙礅 旦l 监+ 盟一盟k 堕 ( 2 7 ) 前面给出的基本方程，由于是解微分方程，还需要给出定解条件，静力学问 题的定解条件只包含边界条件。弹性体的边界条件分为力边界条件足和位移边 界条件s ，。 ( 1 ) 力边界条件( 已知弹仁卜体边界【二的力) 假设弹性体边界上单位面积的内力为t ，1 ，t ，单位面积上作用l 爷j j , i - 7 s 为z ，z ，i 。根据弹性体平衡条件有： 正2 r ，一2f ，t = t 设边界外法线为n ，其方向余弦为n 。，n ，n ：，则： 正= ，z 吒十九，r f + 以z f v 1 = 以。r 叫+ 甩。仃j + 聆：f ：、 t = i v i i k + ，z r f z + # l z o - ： 把( 2 8 ) 代入( 2 9 ) 得： ( 2 8 ) ( 2 - 9 ) 座起重机臂架及人字架结构的有限元分析 m lx2 n p x + n 。气v 。j r - z z - z x 1 = n x t 、1 + n v o ，+ 刀：f ：- t = 行yz - 盯+ 刀i f 比+ r z 盯z ( 2 1 0 ) ( 2 ) 位移边界条件( 己知弹性体边界上的位移) 假设弹性体边界上某点的弹性位移为u ，v ，w ，约束位移为“，v ，w ，则 u 2 “，v 2y ，w 2w ( 2 - 1 1 ) 2 弹性力学的变分原理 弹性力学问题的变分解法属于能量法，是与微分方程边值问题完全等价的并 行不悖的方法，将弹性力学问题归结为能量的极值问题，下面介绍变分原理。 ( 1 ) 应变能和余能 单位体积的应变能，或称应变能密度为 u ( 占) = 妻f 7 d s 单位