（机械设计及理论专业论文）门式起重机结构三维变量化绘图cad系统研究.pdf

中文摘要 中文摘要 门式起重机是露天物料搬运广泛采用的大型装卸机械，产品已经形成系列。在 产品的设计开发过程中，传统的二维设计手段由于其工作量大、设计过程不直观等 诸多缺陷已经不能满足现代起重机产品设计的需求。随着计算机技术和三维图形技 术的发展，三维设计已经成为机械c a d 技术发展的必然趋势。 本文在研究门式起重机的结构特点、设计流程、设计方法的基础上，以三维绘 图软件s o l i d w o r k s 为图形支撑平台，在w i n d o w s 操作系统环境中，利用高级语言 编程工具v i s u a lc + + 6 0 对s o l i d w o r k s 提供的a p i 函数进行了二次开发，实现了 门式起重机结构的三维变量化建模。由于s o l i d w o r k s 从三维模型自动生成二维工 程图的功能存在着缺陷( 如尺寸、公差信息的缺失等) ，因此本文利用v i s u a lc + + 6 0 对二维图形支撑软件a u t o c a d 通过命令文件接口方式进行了二次开发，实现了门式 起重机结构的二维参数化绘图。 在三维变量化建模部分，采用了s o li d w o r k s 与v c + + 相结合的二次开发方法， 即首先在s o li d w o r k s 绘图环境中进行零部件的初始化三维建模，然后在v c + + 编程 环境中通过编程，实现对s o l i d w o r k s 的完全驱动，采用数据文件输入的方式，根 据设计计算所得结果，完成对初始模型草图和特征参数的修改、重建模型等工作， 得到满足设计要求的零部件三维模型。由于考虑到后期对模型进行有限元分析的需 要，在三维实体模型建立过程中，将门式起重机主梁、上横梁、支腿、马鞍等大的 结构件分别做成一个整体，省去了板与板之间连接的环节和其他多余的部件，避免 了在进行有限元分析时由于连接而引起的边界耦合问题。在本课题c a d 系统软件的 开发中，实现了对s o l i d w o r k s 的外部驱动，在系统软件中设置专用的s o l i d w o r k s 功能模块，而非外挂在s o l i d w o r k s 软件菜单或工具条中，使得s o l i d w o r k s 的二次 开发具有相对独立性。在二维参数化绘图部分，采用了命令文件接口方式对a u t o c a d 进行了二次开发，通过v c + + 编制绘图程序生成s c r 命令文件，然后驱动a u t o c a d ， 调用s c r 文件，实现二维参数化绘图。 作为门式起重机c a d 系统软件的绘图模块，在结构设计计算及优化模块之后， 本绘图模块可动态生成门式起重机结构的三维模型图和二维工程图。三维实体模型 可直接用来进行空间干涉检查及有限元分析，并可在项目投标中以形象直观的方式 向用户展示；二维工程图纸是起重机生产工厂进行生产加工的依据。s o l i d w o r k s 与 式起孽机t ：7 ，i - 构三维变量化绘图c a d 系统研究 v c + + 相结合的二次开发方式可以大大减少程序的编写工作量；将门式起重机主梁、 上横梁等大的结构件作为整体进行三维实体建模，有利于进行有限元分析；在用户 软件中开发s o l i d w o r k s 和a u t o c a d 功能模块，在外部驱动图形支撑软件，其相对 独立性使得用户软件在使用相应绘图模块时方便简易。 本文的思路和方法还可以应用到其他类型起重机c a d 系统软件的设计开发中， 能有效地提高设计效率，缩短产品开发周期，具有较宽广的推广意义。 关键词：门式起重机；c a d ；变量化建模；参数化绘图 a b s t r a c t a b s t r a c t g a n t r yc r a n e ，w i d e l yu s e df o rl i f t i n gg o o d si nt h eo p e na i ri sa n i m p o r t a n tt y p eo fe l e v a t i n gm a c h i n e r ya n do w n sm a n ys e r i a lp r o d u c t s t h e t r a d i t i o n a lt w o d i m e n s i o n a ld e s i g nn o wc a nn o tm e e tt h e i n c r e a s i n g r e q u i r e m e n t so fm o d e mc r a n ed e s i g ns i n c ei t sl o n g t e r mc y c l ed e v e l o p m e n t a n da b s t r a c t i o n w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r s c i e n c ea n d t h r e e - d i m e n s io n a l g r a p h ic s ，t h et r e n do fm e c h a n i c a ld e s i g nh a sb e e n t o w a r d st ot h r e e d i me n s i o n a lc a d i n e v i t a b l y t oc o m p l e t et h r e e d i m e n s i o n a lv a r i a t i o n a ld e s i g nf o rs t r u c t u r e so fa g a n t r yc r a n e ，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fs o l i d w o r k ss o f t w a r e ，b a s e di n t h ea n a l y s i so fs t r u c t u r ec h a r a c t e r sa n dd e s i g np r o c e s so fg a n t r yc r a n e ，i n a c c o r d a n c ew i t hs o l i d w o r k sa p ib yu s i n gv i s u a lc + + i nw i n d o w so p e r m i n g s y s t e m ，i sr e s e a r c h e di nt h i st h e s i s i na d d i t i o n ，s i n c et h e r ea r em a n yf l a w s i nt h es h i f t i n gp r o c e s sf r o mt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l st ot w od i m e n s i o n a l d r a w i n g s ，a u t o c a ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n ta c c o r d i n gt os c r ( s c r i p t ) f i l e u s i n gv i s u a lc + + i sa l s or e s e a r c h e df o rt w o d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i c d r a w i n g i nt h ep a r to ft h r e e d i m e n s i o n a lv a r i a t i o n a lm o d e l i n g ，s o l i d w o r k sa n d v i s u a lc + + a r eu s e du n i t e d f i r s t l y ，t h r e e - d i m e n s i o n a lp a n s m o d e l sa r e b u i l tw i t hs o l i d w o r k s ；s e c o n d l y ，w i t ht h eh e l po f a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c eo fs o l i d w o r k sa n dp r o g r a m sc o d e di nv i s u a lc + + ，p a r t s m o d e l s i i i 门式起蕈机结构三维变量化绘图c a d 系统研究 a r ed r i v e nc o m p l e t e l y b a s e do nt h er e s u l to fs c i e n c ec a l c u l a t i o n ，d a t af i l e s a r ei n p u ts ot h a tt h es k e t c ho fm o d e la n dc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc a nb e c h a n g e dh e n c et h em o d e l sc h a n g e dt o o f o rt h ec o n s i d e r a t i o no fc o m i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st om o d e l s ，s o m eb i gc o m p o n e n t so fg a n t r yc r a n e s u c ha sm a i nb e a m ，u p p e r - c r o s s e db e a m ，s u p p o r t s ，s a d d l ea r eb u i l ta s e n t i r e t i e sc o r r e s p o n d i n g l yw i t h o u tl i n k sb e t w e e np l a t e s t h ec a ds o f t d e v e l o p e di nt h ep r o j e c tc a nd r i v es o l i d w o r k se x t e r n a l l y ，w h i c hm e a n s ，i ti s a ne x e c u t i v ef i l er a t h e rt h a n a n a d d i n gi n s o l i d w o r k s i nt h e p a r to f t w o - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cd r a w i n g s ，s c r ( s c r i p t ) f i l ei sa d o p t e da sa p r o g r a m m i n gi n t e r f a c et or e a l i z et h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa u t o c a d s c r i p tf i l e s ，g e n e r a t e df r o mp r o g r a m si nv i s u a lc + + ，c a nd r i v ea u t o c a d s o t h a tt w o d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cd r a w i n gi sa c h i e v e d a so n ei m p o r t a n tm o d u l eo fg a n t r yc r a n ec a ds o f t w a r e ，t h i sd r a w i n g m o d u l ec a nb u i l dt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l sa n dt w o - - d i m e n s i o n a ld r a w i n g s a u t o m a t i c a l l y a l s o ，t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l sc a nb eu s e df o rd i m e n s i o n a l i n t e r f e r e n c ei n s p e c t i o na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n da sv i s u a li m a g e si n b i d d i n gs h o w i n gt ou s e r s t w o d i m e n s i o n a ld r a w i n g sa r eg u i d e l i n e si nt h e m a n u f a c t u r i n go fc r a n ef o rs h o pf l o o r w o r k i n gt i m e i ss h o r t e n e di n p r o g r a m m i n gb yt a k i n gs o l i d w o r k sa n dv i s u a lc + + u n i t e da sd e v e l o p m e n t t 0 0 1 i ti s h e l p f u l f o rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st h r o u g hb u i l d i n g t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e ls u c ha sm a i nb e a m ，u p p e r - c r o s s e db e a m ，s u p p o r t s ， s a d d l ea se n t i r e t y i naw o r d ，i ti sm o r ec o n v e n i e n tf o ru s e r sw h e nu s i n gt h e i v a b s t r a c t d r a w i n gm o d u l e t h et h o u g h ta n dm e t h o da d o p t e di nt h i sp a p e r ，w h i c hw i l li n c r e a s e d e s i g ne f f i c i e n c ya n ds h o r t e nc y c l eo fp r o d u c td e v e l o p m e n t ，c a nb er e g a r d e d a sa l li m p o r t a n tr e f e r e n c er e s o u r c ef o ro t h e rt y p e so fc r a n ed e s i g n k e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e ；c a d ；v a r i a t i o n a lm o d e l i n g ；p a r a m e t r i cd r a w i n g v 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：尿跌卉，日期：仞。7 石t 1 ， 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： 珠咴埤、 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 式起重机发展概述 门式起重机是露天物料搬运所广泛采用的大型装卸机械，广泛地应用于工矿、 交通运输以及工程建设等部门，尤其能在铁路货场的装卸作业中发挥重要的作用。 门式起重机根据用途不同，分为船坞门式起重机，水电站用门式起重机，集装 箱门式起重机，装卸桥以及通用门式起重机。通用门式起重机应用最广，在这里主 要讨论通用门式起重机。 通用门式起重机一般可分为单梁与双梁门式起重机两大类型。就单梁门式起重 机而言，又可以根据小车的类型分为葫芦单梁门式起重机和小车式单梁门式起重 机。葫芦门式起重机上的起重小车采用电动葫芦，构造简单、制造容易、投产较快， 常用于起重量不大( 一般不大于l o t ) ，使用不频繁的场合。葫芦单梁门式起重机的 门架有桁架结构和板结构两种，主梁截面有多种型式，但梁的下翼缘中心线上总是 焊接一根工字钢以作为它的轨道梁，以便悬挂电动葫芦( 或单轨小车) 。单梁门式 起重机若采用特制的小车，则称为小车式单梁门式起重机。根据其支腿的形式不同， 又可以分为l 型和c 型门式起重机。l 型单主梁门式起重机的起重小车多采用垂直 反滚轮式( 两支点) 小车；c 型单主梁门式起重机的起重小车多采用水平反滚轮( 三 支点) 小车。垂直反滚轮小车的构造简单，维修方便，但起升机构在启动和制动时 垂直方向跳动比较大。水平反滚轮小车工作过程中比较平稳，但维修不太方便。 双梁门式起重机的结构有箱型梁结构和桁架结构两种。其两根双梁和桥式起重 机的双梁结构基本相同，且常带有双悬臂。双梁门式起重机的小车和桥式起重机的 小车通用。由于较轻的桁架结构存在着制造劳动量大，维修保养不方便等缺点，所 以箱型双梁门式起重机得到广泛应用。箱形双梁门式起重机按照支腿的形式又分为 0 型、u 型、a 型和八字腿带马鞍型等几种。 通用门式起重机当跨度小于3 0 m 时，不需要考虑温度变形的影响，常采用双刚 支腿结构的形式，刚性支腿上部与主梁连接处截面相等而下部截面与下横梁宽度相 等，形成上大下小的形式，并与主梁构成刚性连接。跨度大于3 0 m 时，则需要考虑 温度变形的影响，因此常采用刚一柔支腿结构的形式。柔性支腿上部与下部截面 相等，与主梁构成柔性连接【1 ，2 】。 门式起重机结构三维变量化绘图c a d 系统研究 1 2c a d 技术发展概述 c a d 是世界性的通用的专业名词，是“c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ”的缩写，即计 算机辅助设计【3 1 。c a d 是指技术人员以有高速计算能力和显示图形的计算机为工 具，用各自的专业知识对产品进行绘图、分析计算和编写技术文件等设计活动的总 称【4 1 。 用于c a d 的计算机软件及外部设备，总称为c a d 系统。c a d 系统是以计算 机硬件为基础，系统软件和支撑软件为主体，应用软件为核心的面向工程设计问题 的信息处理系统m 。其系统组成如图1 1 所示。 综合国外研究资料 1 8 , 1 9 , 2 0 】表明，发达国家的模 块化、参数化设计技术已 经很好地应用于起重机等 大型设备的设计制造过程 中，并且已经为企业带来 了巨大的经济效益，德马 格公司就是起重机行业的 图1 - 1c a d 系统的组成 f i g 1 1b u i l d u po fc a ds y s t e m 一个典范1 5 ，6 7 j ，其技术已经居于世界起重机设计、制造技术的前列。 从9 0 年来以来，我国在起重机械方面的研究取得了重大成果。国内的许多科 研院所以及大中小企业都对起重机结构、材料、生产制造、装配等各个方面进行了 深入研究。特别是大连理工大学、华中科技大学、重庆大学、太原科技大学、中北 大学以及一些研究单位开展了起重机的模块化、参数化、标准化、智能化研究设计， 开发了一些基于国外c a d 软件的三维设计系统【8 , 9 , 1 0 。 1 3 课题提出的背景及研究意义 随着计算机软件、硬件技术的飞速发展，机械设计领域正由二维向三维进行着 转变1 0 , 1 1 , 1 2 】，二维设计最终将被三维设计所取代，企业为了提高产品的市场竞争力， 必然要求缩短产品研制、开发周期来抢占市场，并优先使用先进的技术和努力寻求 新的产品开发思想。 1 3 1 起重机三维变量化建模的意义 在目前起重机产品设计领域所普遍开发的二维c a d 系统，己不能满足现代起 重机产品设计的需求。而三维设计软件如s o l i d w o r k s 、p r o e 、u g 等，一改二维绘 2 第一章绪论 图的传统设计方式，直接进行三维立体建模，生成生动的三维实体模型，具有二维 图纸所无法比拟的直观性【2 2 】。而且三维绘图软件可以对重要的零部件进行有限元分 析与优化设计；在生产之前动态地模拟装配过程，进行干涉检查；同时所建立的三 维实体模型还可以在项目投标中以直观的形象向用户展示。所有这些都是二维绘图 软件所不能的。由二维的平面设计到三维的立体设计的转变，已经成为国内机械设 计行业的发展趋势【1 3 , 1 4 】。 然而，尽管目前所流行的三维绘图软件功能已经非常强大，但其建模过程仍为 手工交互模式，仍然不能满足专业机械c a d 系统的需要。所以对三维绘图软件进 行本地化的二次开发，针对特定机械结构实现变量化建模，可以极大地提高设计效 率，缩短新产品的设计周期，具有实际意义【1 5 , 1 6 , 1 7 】。 1 3 2 起重机二维参数化绘图的意义 虽然三维c a d 设计软件的应用已经越来越普及，但二维工程图仍然是目前大 多数企业表达设计思想、加工零件、检验产品以及技术交流所必不可少的技术资料， 所以，一个完整的c a d 设计系统必须具备自动生成工程图的功能1 2 。但s o l i d w o r k s 等三维设计软件虽然具备从三维实体模型自动生成二维工程图的功能，但其在自动 转换的过程中存在着许多缺陷，如不能完全符合国家标准，不能完全实现诸如标题 栏的填写、材料明细表的生成、尺寸合理标注等工作的自动化，而必须由人工辅助 设计来进行，特别是参数化驱动后会出现工程图不合理的情况。所以利用高级编程 语言对专业二维绘图软件如a u t o c a d 等进行二次开发，通过参数化绘图实现二维 工程图的自动出图，能够满足一个完整的c a d 设计系统的需要，也是非常必要的， 具有现实意义。 1 4 本文的研究内容及技术路线 门式起重机结构c a d 系统软件的开发，能够使设计工作人员减轻工作量，并 大大提高工作效率，缩短企业产品研发的周期，满足市场竞争的需要，也同时使用 户能够得到满意的产品。门式起重机c a d 系统软件包括输入模块、几何尺寸计算 模块、结构理论分析与建模模块、优化设计模块、可视化设计模块、三维变量化建 模模块、二维参数化绘图模块、结构计算说明书模块、有限元分析模块等。本课题 的工作是为了实现门式起重机c a d 系统软件中三维变量化建模模块与二维参数化 绘图模块的功能。 门式起重机结构三维变量化绘图c a d 系统研究 1 4 1 起重机三维变量化建模 s o l i d v v b r k s 是一套基于w i n d o w s 平台的优秀三维设计软件，具有用户界面友好， 上手快的优点。其采用特征建模、变量化驱动可方便地实现三维建模、装配和生成 工程图。s o l i d w o r k s 软件本身所具有的交互方式，可以使用户对己生成模型的尺寸、 几何轮廓和相互约束关系随时地进行修改，而不需要编程。但要实现设计意义上的 变量化绘图和系列化设计，则需要建立设计计算所获得的参数与三维图形之间的直 接相关性，这是s o l i d w o r k s 软件本身所无法实现的。因此，本文运用面向对象的变 量化特征造型方法，结合w i n d o w s 的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 技术和 s o l i d w o r k s 本身所提供的强大的二次开发接口，对其进行本地化二次开发，使它具 有变量化建模能力。并将其应用到门式起重机的变量化设计中，建立门式起重机的 特征变量化造型模型，实现变量化设计。具体的技术路线如下【2 3 2 4 2 5 1 ： 1 ) 运用c o m 速度最快的i u n k n o w n 接口，对s o l i d w o r k s 进行变量化二次开 发，并将其封装为一个c s l d w b r k s 类，该类能够控制s o l i d w o r k s 的启动、关闭、 打开零件文件、修改模型尺寸、重建模型、保存零件文件以及实现零部件的自动装 配等操作。 2 ) 在s o l i d w o r k s 中进行门式起重机零件建模；确定模型的设计变量，并添加 必要的约束；对模型中的设计变量及在后期装配中需要的配合面、基准面等进行分 别命名，以在程序中方便调用。 3 ) 将c s l d w o r k s 类应用到门式起重机的变量化设计中，调用该类驱动三维绘 图软件s o l i d w o r k s ，实现打开零件文件、修改模型尺寸、重建模型、保存零件文件 等零件建模工作，完成门式起重机各零部件以及整机的变量化建模 2 6 1 。并实现门式 起重机各零部件的自动装配。 1 4 2 起重机二维参数化绘图 该部分以w i n d o w s 操作系统为支撑系统，二维绘图软件a u t o c a d 为图形支撑 软件，s c r 命令文件作接口，以可视化程序设计语言v c + + 6 0 为开发平台，以优 化的结果数据为参数，实现门式起重机的命令文件式参数绘图【2 7 ，2 8 , 2 9 , 3 0 】。 具体技术路线如下： 1 ) 运用命令文件接口方式，对a u t o c a d 进行参数化二次开发，编写各类参数 绘图函数，并将其封装为一个参数绘图类。该类能够实现绘制直线、曲线、添加尺 寸标注、标注表面粗糙度、添加技术要求等各种a u t o c a d 绘图命令，以及实现标 题栏填写、材料明细表生成等的自动完成等功能。 4 第一幸绪论 2 ) 将参数绘图类应用到门式起重机的参数化绘图中，在程序中定义对象并调 用该类，根据读取的数据文件中门式起重机零部件各相应参数，生成s c r 命令文 件：并驱动二维绘图软件a u t o c a d ，调用己生成的s c r 命令文件，逐行解释执行 其中每条a u t o c a d 绘图命令，完成门式起重机的二维参数化绘图工作。 第二章f - 工i 、- 起垂机结卡勾的设计计算 第二章门式起重机结构的设计计算 2 1 截面特性计算 2 1 1 主梁截面特性值 主梁的设计变量( 图2 1 ) ： x 1 主梁高度 x r 主梁宽度， x 3 主梁上、下盖板厚度 x a 主梁主腹板板厚度 x 5 主梁副腹板板厚度 ，截面对中性轴x x 方向的惯性矩； 。截面对中性轴y y 方向的惯性矩； 矿绕x - - x 向的抗弯截面模量； 彬，绕y 一少方向的抗弯截面模量。 2 1 2 支腿截面特性值 五j j y x 置 图2 1 主梁截面 f i g 2 - 1s e c t i o no fm a i nb e a m 支腿在门架平面，根据其受力特点，为提高支腿与主梁连接刚性，通常做成上 宽下窄，上端连接宽度推荐取与主梁高度相同的尺寸；下端宽度与下横梁的宽度相 同。对于带马鞍的门式起重机，在支腿的两个平面内制成上宽下窄。通常，其尺寸 宽差率为： 生二生o 7 ，垒二! ! o 7 虹 c 上 支腿设计变量： x r 支腿上端截面高度 x 6 _ 支腿上端截面宽度 x r 支腿下端截面高度 x r _ 支腿下端截面宽度 x r 支腿腹板厚度 x l r 支腿盖板厚 2 1 3 下横梁截面特性值 下横梁的设计变量： x r 下横梁宽度 式起重机结构三维变量化绘匿c a d 系统研究 x l l 下横梁截面高度 x l r 下横梁盖板厚度 x 1 3 下横梁腹板厚度 下横梁截面面积： f t = 2 x 8 x 1 2 + 2 x 1 3 ( x l l 一2 x 1 2 ) 下横梁截面特性值： k = i 1 x 1 3 ( x i i - 2 x l ：) 3 + 吉母“3 + 圭：x s ( x i i x l ：) 2 l y t = i 1 ( x 1 1 - 2 x 。：) 置，3 + 丢x 1 3 ( x n - 2 x l ：) ( 五一x 。，) 2 + 吉五：五3 2 2 箱形主梁的设计 作用于门式起重机主梁的计算载荷按其方向分为垂直载荷和水平载荷，下面分 别计算这些载荷引起主梁的相应内力。主梁不仅承受垂直平面内( 即门架平面) 的 载荷，同时还承受水平平面内的载荷。 在垂直平面内，取起重机运行时静定支承的刚架作为计算简图，并按小车位于 跨中或悬臂端极限位置来计算主梁结构的内力，确定最大弯矩，选择主梁截面。 在水平平面内，主梁受水平惯性力和风力作用，还受偏斜侧向力作用，可近似 地按静定的外伸简支梁进行计算。 2 2 1 垂直载荷引起的主梁内力 ( 1 ) 主梁自重引起的内力( 见图2 2 ) 。 jl 少 图2 - 2 主梁均布载荷及弯矩图 f i g 2 - 2e q u a l l yd i s t r i b u t e dl o a da n db e n d i n gm o v e m e n to fm a i nb e a m 支反力匕= 圪= ( 詈+ ，) 弯矩 恤= m 。= 三，2：= 了f ql 了s 2 一，2 ) ( 2 1 ) 8 第一帚门文起军机结卡勾的设计计算 剪力璐= 鲜= ， 鹾= 鲜= 芝1f q s ( 2 2 ) ( 2 ) 移动载荷位于跨中引起的内力( 见图2 - 3 ) 。 n l ul 图2 - 3 主梁移动载荷位于跨中及弯矩图 f i g 2 - 3m o v i n gl o a da n db e n d i n gm o v e m e n tw h e nt r o l l e yl i e si nm i d d l em a i nb e a m 支反力l p ( 1 一去)叫1 + 去) 弯矩 m i i i 。x 丁p ( 2 s - b ) 2 ( 2 3 ) 剪力 踢= 圮q = ( 2 - 4 ) ( 3 ) 移动载荷位于悬臂极限位置时主梁的内力( 见图2 - 4 ) 。 企厂仃n 个严， 图2 - 4 主梁移动载荷位于悬臂极限位置及弯矩图 f i g 2 - 4m o v i n g l o a da n db e n d i n gm o v e m e n tw h e nt r o l l e yl i e si ne n do fm a i nb e a m 支反力吒= 2 尸( 1 + 叁)= 2 p ( 鲁) 弯矩m 一= 2 一( 2 - 5 ) 剪力鹾= 2 p鹾= ( 2 6 ) 式中7 l 小车极限位置( r a m ) ( 小车运行到极限位置时与较近大车轨道的距离) ； ( 4 ) 小车制动惯性力乞引起主梁内力( 见图2 - 5 ) 。 9 门式起重机结构三维变量化绘图c a d 系统研究 d 碍 。c t _ s j ，丑 l z 一 ! ，一i一 图2 5 小车制动载荷及弯矩图 f i g 2 - 5b r a k el o a da n db e n d i n gm o v e m e n to ft r o l l e y 支反力巧：掣 弯矩m 剐2 = 去办m d = 厶乃( 2 - 7 ) 剪力 q c = g = 气( 2 - 8 ) 式中 办近似取支腿的投影高度。 ( 5 ) 垂直载荷作用下主梁内力为： a 、小车跨中时，跨中弯矩最大。 总弯酰m s ，2 = 孚( 百s 2 - f 2 ) + 警够尸+ 扣厶( 2 9 ) 跨中剪切力： 2 够p ( 1 + 去) ( 2 - 1 0 ) 内扭矩： 瓦= 去，耳+ 乃) ( 2 1 1 ) b 、小车在悬臂时，支承处d 处弯矩最大。 总弯矩为： m 。= 去谚，2 + l l t p p + 够名办( 2 - 1 2 ) 支承处剪切力： 凡= 够罗p ( 2 1 3 ) po _ 一 内扭矩：瓦2 ( 够乃+ t n ) ( 1 + ) ( 2 - 1 4 ) 2 2 2 水平载荷引起的主梁内力 ( 1 ) 大车制动时引起的惯性力。 主梁自重惯性力：名z 转化成均布载荷艺。孑茏 小车自重及起重量惯性力：乓， 小车位于跨中： l o 第一章门式起重机结构的设计升簟： 峥知等2 )蟛s 协 小车位于悬臂： 蟛= ；1 。，s 1 2m ；= 乓1 z 。( 2 1 6 ) ( 2 ) 风载荷引起的水平力。 作用在主梁上的风载荷昂，。和作用在货物上的风载荷昂，：。 旷锵 跨中： m q w = 扣，弓f 2 ) ( 2 - 1 7 ) 悬臂： m g = i 1 锄，2 ( 2 1 8 ) ( 3 ) 偏斜侧向力尸引起的扭矩。 m 。= 只乃( 2 1 9 ) 式中h - j 丘似取支腿的投影高度。 ( 4 ) 上述载荷引起的总内力为： 小车跨中时，跨中弯矩最大。 蚂：= 扣c 等廿m 焉竽+ 扣，c 等h 2 。， 小车在悬臂时，支承处d 处弯矩最大。 朋葛= 妒，斥l + i 1 妒，g ：，2 + 丢妒，g 矿f 2 + 只办( 2 2 1 ) 2 2 3 主粱的强度计算 主梁内力确定后，就进行截面选择和验算，所验算的危险截面依结构而异。对 于带有悬臂的门式起重机，主梁跨中和支腿支承处截面部可能出现最大弯矩；对于 不带悬臂的门式起重机，主梁的跨中截面弯矩最大，最大剪力一般出现在支承处附 近的截面上。在双梁门式起重机中，小车的运行轨道常安置在主梁的一侧腹板上， 由于轨道偏离主梁截面弯心一段距离，所以主梁除受横向弯曲以外，还受到扭转作 用而产生约束扭转正应力【2 4 1 。 武起蕈机结构三维蹙量化绘图c a d 系统研究 在宽偏轨箱型梁中，由于翼缘板较 宽，弯曲应力的分布己不符合平面假 定，因而引起附加的约束弯曲正应力。 为了简化，在进行强度验算时，考虑约 束扭转和约束弯曲的存在，可将腹板处 翼缘外表面的自由弯曲正应力增大 1 0 1 5 。约束扭转和约束弯曲产生 的剪应力都较小，可略去。在上述载荷 作用下，主梁危险截面验算点的应力按 最不利的工况和载荷组合决定。 这里对主梁跨中和支腿支承处截 面都要进行强度校核( 如图2 6 ) 。 ( 1 ) 主腹板上边缘1 点的应力 1 、 - ，二 5 j l 工 屯yi 、2 图2 - 6 主梁截面强度验算点 f i g 2 6c h e e kp o i n ts t r e n g t hi nm a i nb e a m s e c t i o n 偏轨箱形梁主腹板边缘受有较大的正应力、较大的剪应力r 和局部压应力 仃。，按下式验算复合应力： 仃= 仃：+ a ：一仃o o - 。+ 3 r 2 【仃】 ( 2 2 2 ) 其中：仃o2 仃o l + d 0 2 ； 垂直弯矩产生的应力：。：警少； ， 水平弯矩产生的应力：仃。：_ m y 五； 局部压应力： 仃。= t p , p 1 ( 2 b y + s o ) 6 主腹板上边的切鱿r = 謦+ 南； s ，主梁上翼缘的静矩； y 占主副腹板的厚度之和； ( 2 ) 2 点的应力 主梁截面最远角点上的应力为： 1 2 第一审门式起荤机结构的设计计算 o i + = 警+ 等斗】协2 3 ， ( 3 ) 3 点的应力 考虑粱的约束弯曲和约束扭转，下翼缘板与副腹板连接处的外侧表面应力为： 吲u o o l + 0 0 2 一m 等+ 半m 吨倒， ( 4 ) 主梁支承处的切应力 小车在悬届皇： 皇i i i j 时hj ，主梁支承处剪力最大。主梁在水平面内受到的水平剪切力一 般较小，可略去不计。 主梁支承处垂直面内的剪应力为： r = 嚣+ 南哳亿2 5 ， 其中4 主梁的封闭截面面积； h 主梁高度。 通常对工作级别大于e 4 ( 含) 的主梁需验算疲劳强度，按载荷组合a 计算主 梁跨中的最大弯矩截面的疲劳强度【2 6 】。 由于水平惯性载荷产生的应力很小，为了计算简明忽略惯性应力。 移动载荷在跨中，主梁跨中截面的最大弯矩： m 。= m 2 ( 2 - 2 6 ) 仃m “2丝! 坐二型 ( 2 2 7 ) ( 1 ) 受拉翼缘板的横向对接焊缝或翼缘焊缝处受较大的拉应力，验算主腹板受拉 翼缘焊缝4 点的疲劳强度( 如图2 - 6 ) ： o 一h 】( 2 - 2 8 ) 式中仃m 戤受拉翼缘板对接焊缝或翼缘焊缝按载荷组合a 算得的最大拉应力； 【d 。】拉伸疲劳许用应力。 ( 2 ) 横向加劲肋( 横隔板) 下端焊缝与腹板相连处的腹板，同时受有较大拉应力 和剪应力，验算横隔板下端焊缝与主腹板连接处5 点的疲劳强度。 按下式计算： 门式起重机结构三维变量化绘图c a d 系统研究 2 + 槲姗“2 圆， 式中 仃懈、r 一腹板计算点按载荷组合a 算得的最大正应力和最大剪应力； 【仃，】、【。 t - r 卜立伸和剪切疲劳许用应力。 2 2 4 主梁的稳定性计算 箱型梁具有很大的水平刚性和扭转刚性，再加上水平走台的辅助作用，其整体 稳定性一般是不需验算的。但须对箱形主梁的腹板和受压翼缘板进行稳定性校核。 ( 1 ) 整体稳定性 当主梁的高宽比；3 时，不用验算，而且门架设有平台，增大了主梁的水平 刚性，能防止整体失稳。 ( 2 ) 局部稳定性 箱形主梁的翼缘板和腹板均需验算局部稳定性。先要根据板的宽厚比布置加劲 肋，形成区格，然后分别验算跨中和支承处附近的区格。 2 3 支腿的设计 2 3 1 门架平面内的受力分析 在计算门式起重机支腿时，门架应按一次超静定刚架结构进行内力计算的。这 时，在垂直载荷作用下，在门架支承处产生的横推力将对支腿产生不利的影响。应 注意，对于一侧为刚性支腿，另一例为柔性支腿的门架，无论计算主梁或是支腿时 都应按静定刚架结构进行内力计算。在门架平面内可不考虑风力影响。本文是以八 字型、双刚性支腿为例进行计算，门架平面按一次超静定刚架计算内力1 3 1 。 ( 1 ) 由主梁均布自重产生的内力( 见图2 7 ) 。 支反力c = 兄= q s 横推力f = 币高七= i i 了h 弯矩收l = m d 2 = 飞用( 2 3 0 ) 1 4 第二幸门式起至：卡j j 终，构的设计计算 图2 7 r一， 删 业 p l _ m 蒸 、 逝妙 宦m c m 蜀就 7 ，：塑型二堕 2 h ( 2 k + 3 1 。式。n h k 7 y 笙 图2 8 f 毒 d 7 图2 1 0 小车轮压产生的内力6 1 ( 见图2 8 ) 。 m c 2 = 够f hm j 9 2 = 咱朋( 2 - 3 1 ) ( 3 ) 小车跨中时，小车轮压产生的内力( 见图2 9 ) 。 f a = p ( 1 一去) f ：3 p ( 4 s 2 - 5 b 2 ) 1 6 h s ( 2 k + 3 ) 吒= p ( 1 + 西b ) 虬= 等( 2 ) + 收3 = m d 3 = 一够用( 2 - 3 2 ) ( 4 ) 小车惯性力产生的内力( 见图2 1 0 ) 。 1 5 队一y 、， ， 矿一z v 。一 妒 卜 2 予一一 i i m 2 而 一 酏 鞘乒 臂 + 悬 】j!知)箭丝s 州耻 门式起重机结构三维，变量化绘图c a d 系统研究 只= b = 等 ，= 圭名 一m c 4 = m d 4 = 妒，用( 2 - 3 3 ) ) 风载荷严生的内力( 见图2 - 1 1 ) 。 支腿风载荷g ， 计算公式： 横推力l = q ：r h l l l k 鬲+ 1 8 ， qf hs k + 6 。b2 下2 k + 3 坼；= 妒l ( 4 9 ) 一 g ， 一 一 一 一 j 刁r j晤 型r 一 气 一| j j j 1 图2 1 1