（机械设计及理论专业论文）桁架门式起重机主梁三维设计与分析.pdf

、 ej ；。 f j 、 ：毋 、 ， 缸 ， j ， j ， 钆 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。 作者主名：奎垦至：整日期：趁! ! ：垒：逻 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) o 作者签名：立喜丕二蠢二j 期： 一丝 坠 亟：丝 导师签名： 中文摘要 本文阐述了目前国内外桁架门式起重机的研究现状、发展方向及其在工业生产中的 重要作用。在此基础上，针对桁架门式起重机主梁杆构件较多、设计繁琐、分析困难等 特点，提出了对主梁结构进行设计、建模及工程分析一体化的设计方案。 首先对桁架门式起重机主梁结构进行设计，包括类型及材料的选择、参数的确定、 杆件截面尺寸计算、载荷的计算、载荷组合形式的选择及强度刚度稳定性的验算：其次 应用s o l i d w o r k s 对跨度3 9 6 米，起重量3 5 + 3 5 吨的双梁桁架门式起重机主梁进行了三维建 模设计，采用两种方法对该桁架门式起重机建立三维有限元模型，并对两种建模方法进 行比较；再次针对各种载荷工况，用s o l i d w o r k s s i m u l a t i o n 对主梁进行了有限元分析， 验证在各种工况下主梁危险截面的强度和刚度；最后以跨度3 9 6 米桁架门式起重机主梁 为桁架门式起重机的基本模型，结合桁架结构特点，以w i n d o w s 操作平台、v b 6 0 为二 次开发环境，开发了桁架门式起重机主梁的参数化设计、建模和有限元分析一体化设计 分析软件。 跨度为3 9 6 米桁架门式起重机主梁设计分析一体化的实现，对提高桁架门式起重机 的设计质量、缩短设计周期、降低设计成本具有显著优越性；而设计分析软件操作简便、 建模效率高、实用性强、为企业研发新产品提供了方便。 关键词：主梁；桁架；参数化设计；有限元分析；三维建模 丝璺坐曼! 一一一 _ 一 a b s t r a c t t h i sa r t i c l eg i v ef u l lr e s e a r c ht ot r u s sg a n t r yc r a n ea th o m ea n da b r o a i c i a l b o u tr e s e 锄c hs t a t u s ，d e v e l o p m e n td i r e c t i o na n di m p o r t a n t r o l ei nt h ei n d u s t r i a l p r o d u c t i o n o nt h i sb a s i s ，t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r em o r e m e m b e r s 、c o m p l i c a t e d d e s i g i l 、d i f f i c u l ta n a l y s i sf o rt r u s sg a n t r yc r a n e 3 dp a r a m e t r i cd e s i g n ，m o d e l i n g a n de n g i n e e r i n ga n a l y s i sa r eg i v et ot h em a i ng i r d e ro ft h et r u s sg a n t r yc r 砒l e ， m 8 l d et h ei n t e g r a t i o no fd e s i g n ，m o d e l i n ga n de n g m e e n n ga n a l y s i s f i r s t w i t hd e s i g no ft h em a i ng i r d e rs t r u c t u r e o ft h et r u s sg a n t r yc r a n e ， i n c l u d i n gc h o s eo ft h es t y l ea n dm a t e r i a l s ，d e t e r m i n a t i o no fp a r a m e t e r , c a l c u 。 l a t i o no ft h eb a rs e c t i o na n ds i z e ，c a l c u l a t i o no fl o a d ，t h ec h o s eo f l o a dc o m o b i n a t i o n s 锄dc h e c k i n go ft h es t r e n g t h ，s t i f f n e s s ，s t a b i l i t y ；s e c o n d ，b yu s e do f s o l i d w o r k s3 dm o d e l i n gd e s i g ng i v et om a i ng i r d e ro f t h et r u s sg a n t r yc r a n e w i t hs p a no f3 9 6m e t e r s ，a n dl i f t i n gw e i g h t3 5 + 3 5 t b u i l d3 df i n i t ee l e m e n t m o d e lt ot h i st r u s sg a n t r yc r a n eb yu s et w ok i n d so fm e t h o d s ，a n dc o m p a r e t h e 僦ok i n d so fm o d e l i n gm e t h o d s ；a c c o r d i n gt ov a r i o u sl o a dc o n d i t i o n s , f i n i t e e l e m e n ta n a b s i st ot h em a i ng i r d e rb yu s eo fs o l i d w o r k s s i m u l a t i o n ，c h e c k i n g t h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo fd a n g e r o u ss e c t i o no ft h eg i r d e ru n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ；f i n a l l y , t a k et h em a i ng i r d e ro ft h et r u s sg a n t r yc r a n ew i t hs p a n o f 3 9 6m e t e r sf o rb a s i cm o d e l ，c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r u s ss t l m c t u r e s ) w i t ht h ew i n d o w so p e r a t i n gp l a t f o r ma n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t o fv b 6 0 ，b u i l td e s i g na n a l y s i s s o f t w a r ei n t e g r a t i o no fp a r a m e t r i cd e s i g n ， m o d e l i n ga n d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fm a i ng i r d e ro ft h et r u s sg a n t r y c r a n e w i t ht h ei n t e g r a t i o no fd e s i g na n da n a l y s i st om a i ng i r d e ro ft h et r u s s g a n t r yc r a n ew i t hs p a no f3 9 6m e t e r s ，h a v es i g n i f i c a n ts u p e r i o r i t y t od e s i g n q u a l i t y , s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e ，r e d u c i n gc o s t d e s i g na n a l y s i ss o f t w a r ew i t h s i m p l eo p e r a t i o n ，h i g he f f i c i e n c ym o d e l i n g a n dp r a c t i c a l ，a n dp r o v i d e st h e c o n v e n i e n c ef o re n t e r p r i s et od e v e l o pn e wp r o d u c t s k e yw o r d s ：m a i ng i r d e r ；t r u s s ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；3 d m o d e l i n g i i 目录 目录 第一章绪论1 1 1 问题提出1 1 2 桁架式起重机发展现状1 1 3 起重机c a d c a e 发展现状2 1 4c a d c a e 技术特点及应用软件2 1 4 1c a d c a e 内涵及特点2 1 4 2o a d c a e 的应用软件4 1 5 课题研究内容和意义4 第二章桁架门式起重机主梁结构设计。7 2 1 桁架门式起重机结构7 2 1 1 起重机结构类型。7 2 1 2 桁架结构的组成及特点7 2 2 桁架计算模型建立过程1 0 2 3 主梁结构主要技术参数11 2 4 杆件截面设计一1 2 2 5 载荷计算1 3 2 5 1 载荷计算原理1 3 2 5 2 载荷计算1 4 2 6 主梁强度、刚度验算2 0 2 7 本章小结2 1 第三章桁架门式起重机三维c a d 设计2 3 3 1s o | id w o r k s 功能及特点2 3 3 1 1s o i d w o r k s 的基本功能2 3 3 1 2s oi ld w o r k s 软件特点2 4 3 2s oiid w o r k s 三维建模思路2 5 3 3 桁架门式起重机三维有限元模型方案2 6 3 3 1 三维有限元模犁的两种设计方案2 6 3 3 2 设计方案的对比2 9 3 4s ol id w o r k s 的二次丌发3 0 3 4 1 二次丌发原理1 2 引3 0 目录 3 4 2 二次丌发思路31 3 5s oi id w o r k s 二次开发的过程3 2 3 5 1 二次开发的目的3 2 3 5 2 选择v b 语言进行s o i id w o r k s 二次开发3 2 3 5 3s w 的对象模型3 3 3 5 4 变量的声明3 3 3 5 5 在丌发环境中添加类型库的引用3 4 3 5 6 录制宏快速写代码的方法3 4 3 6 桁架门式起重机主梁有限元模型的参数化设计3 6 3 6 1 桁架结构模型参数化设计步骤3 6 3 6 2 桁架式起重机三维参数化模型的实现3 8 3 7 本章小结4 3 第四章桁架门式起重机c a e 工程分析4 5 4 1 有限元法的发展4 5 4 2 有限元法的分类及特点一4 6 4 3 有限元法分析流程4 7 4 4 有限元分析软件s ol id w o r k ss im uia tio n 4 8 4 4 1s oiid w o r k ssim uia tj0 1 3 概况4 8 4 4 2s ol id w o r k ssim ula tio r 有限元分析原理4 8 4 4 3s o ii d w o r k ss i m u i a t i o n 有限元分析的过程5 1 4 5 本章小结5 3 第五章工程实例分析5 5 5 1 起重机参数的确定5 5 5 1 1 起重机工作级别及基本尺寸5 5 5 1 2 起重机的工作速度5 5 5 1 3 结构材料选取5 5 5 1 4 起重机载荷确定5 5 5 2 桁架门式起重机有限元模型的理论计算一5 7 5 2 1 危险截面的确定5 7 5 2 2 静态刚度的值5 9 5 3 桁架式起重机有限元分析过程一5 9 i i 目录 5 3 1 创建算例5 9 5 3 2 应用材料5 9 5 3 3 添加约束6 0 5 3 4 施加载倚6 0 5 3 5 划分网格6 1 5 3 6 运行分析6 1 5 4 分析结果6 4 5 5 本章小结6 5 第六章总结与展望6 7 6 1 全文总结6 7 6 2 本文创新点6 7 6 3 不足与展望6 7 参考文献6 9 致谢7 3 攻读学位期间发表的学术论文7 5 第一章绪论 第一章绪论 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机械设备，在国民经 济各部门都有广泛的应用，起着减轻体力劳动、节省人力、提高劳动生产率和促进生产 过程机械化的重要作用。 1 1 问题提出 在起重机械领域，桁架式起重机是杆构件最多、受力最为复杂的一种结构形式，不 但要方便操作、容易维护、安全性高、可靠性好，而且还要具有优异的耐久性、无故障 性、维修性和使用经济性。其设计繁琐、分析困难，给工程设计人员带来诸多不便。 设计现状为： 1 、桁架门机结构是一个多次超静定结构，选用结构力学经典方法如“节点法”和 截面法”计算量过大，操作繁琐且容易出错【2 1 。 2 、凭借经验设计，采用简化法、类比法和参照法，其精度不高、把握度不大。 3 、目前桁架式起重机设计还是以二维绘图为主，对减少设计错误、设计更改和返 工现象并无很大提高【3 】o 为了改善此问题，出现了许多优秀设计分析软件，如s o p t l y s 、s a p 5 、m s c n a s t r a n 、a n s y s 以及s o l i d w o e k s 自带的s i m u l a t i o n 等有限元分析软件。这些软件 为工程应用领域中的设计和分析提供了保障。 然而在日益激烈的市场竞争条件下，这样的丌发方式远不能满足企业对产品时间、 质量、成本上的要求，要提高制造业水平，必需要有更先进的设计工具，这就出现了高度 集成的c a d c a e 软件【4 】f 5 】。 该软件融设计、分析、仿真为一体，首先它能够形象、直观地设计桁架结构的三维 模型，使设计更加符合实际；其次可对桁架结构实现参数化、变量化设计，大大提高设 计效率；再者可对桁架模型的断裂情况、变形情况、材料节省情况、性能优劣情况等进 行分析评估，提高设计质量。该软件充分体现了三维设计软件的风采，避免了由其他三 维设计软件建立模型导入有限元分析软件而引起的差异，尝试了设计分析一体化的设计 理念，并在起重机领域得到了广泛应用1 6 j 。 1 2 桁架式起重机发展现状 桁架式起重机采， j 型钢作为桁架的格构件，使得受风载衙作用时迎风面积小、结构 白重轻等特点，近几年来在室外的货场及其他场合的装卸机械得到广泛应用【纠。但由于 1 桁架门式起重机主梁三维设计与分析 它杆件较多、受力复杂、工艺加工困难，给设计带来诸多不便，关键原因有以下几点【1 ： l 、设计理念和设计方法落后【1 1 1 ； 2 、缺少设计标准和相关规范，或者对相关国际标准理解不准确，只知其言不知其 所以言l ； 3 、没有真正建立起一套比较完整的产品研发设计体系或平台，包括设计研发标准 的采用，主参数计算、结构仿真、机构仿真和系统仿真以及产品方案评估体系等； 4 、缺少有效的基于工程知识积累和重用的管理手段和平台。 1 3 起重机c a d c a e 发展现状 1 、国外桁架式起重机c a d c a e 软件现状 根据起重机发展的新理论、新技术和新动向，可以看出设计进入了崭新的c a d c a e 阶段9 1 。c a d c a e 技术软件在美国、德国、英国、法国和日本的著名起重机公司得到 了迅猛发展【1 2 】。其中m s c 、a n s y s 、m d i 三家国外著名的c a e 软件代表了国外起重 机c a e 技术的发展方向【1 2 】。 2 、国内桁架式起重机c a d c a e 软件现状 我国设计分析软件开发起步较晚，1 9 9 6 年，设计工作者对四桁架门式起重机桥架系 列产品研制成专用的s o p t l y s 软件，随后义以s a p 5 作为支撑软件，对门式起重机系 列桁架结构进行了有限元分析，发展到今天使用最广泛的是a n s y s 软件，先用a n s y s 软件建立三维实体模型，再进行有限元分析【1 3 】。 3 、现行桁架式起重机c a d c a e 软件的局限 1 ) 严格的说，目前桁架结构设计还是二维c a d ( c o m p u t e ra i d e dd r a w i n g ) 计算机绘 图，没有实现根本意义上的“计算机辅助设计”1 9 。 2 ) 我们使用的三维c a d 软件，仅仅是c a d ，并没有包含c a e ，即使用剑c a e ， 也是相互独立的。 1 4c a d c a e 技术特点及应用软件 1 4 1c a d c a e 内涵及特点 、l 、c a d 内涵 c a d ( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 技术是一项综合性的、集计算机图形学、数据库、 网络通讯等计算机技术及其他领域知识于一体的高新技术【6 】；是先进制造技术的重要组 成部分；也是提高设计水平、缩短产品研发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术i6 1 。 在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负繁琐计算、信息存储和制图等工作， ， 第一章绪论 尤其是大量的相同或相似的重复性工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量 的计算、分析和比较，以决定最优方案【7 】；由计算机自动产生设计结果，快速作出图形， 使设计人员及时对设计结果作出判断和修改。c a d 能减轻设计人员的劳动，缩短设计 周期和提高设计质量l 引。 2 、c a e 内涵 c a e 是指工程设计中的分析计算与仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化 设计、强度与寿命评估、运动动力学仿真【8 l 。工程数值分析用来分析确定产品的性能； 结构与过程优化设计是保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最 优：结构强度与寿命评估用来评估产品的结构设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命 情况；运动动力学仿真用来对c a d 建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真 【9 1 。从过程化、实用化技术发展的角度看，c a e 的核心技术为有限元技术与虚拟样机的 运动动力学仿真技术。 3 、c a d c a e 集成特点 工程和制造企业的生命力在于工程和产品的创新，而实现创新的关键，除了设计思 想和概念之外，最主要的是技术保障，就是采用先进可靠的c a d c a e 软件【6 1 。 从前面关于c a d 的定义我们可以看出，c a d 中必须含有分析c a e ，缺少了c a e 的c a d 系统是不完整的计算机辅助设计系统。图1 1 揭示了计算机辅助制图( c a d ) 、 c a e 和计算机辅助设计的真正内涵【1 n 。 c o m p u t e ra i d e dd r a f t i n gc o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n gc o m p u t e ra i d e dd e s i g n 图1 i c a d 和c a e 的关系 f i g1 1t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc a d a n dc a e 由于c a d c a e 技术相互依赖、相互促进、共同发展，使得设计分析工作变的方便 快捷、结果准确。其特点如下【9 1 f 1o 】： 1 ) 基于特征、参数化、完全关联的三维建模工具； 2 ) 能够创建所有几何体以执行c a d 和分析功能； 3 1 能够在设计和分析模型之i 、日j 切换，同时保持几何体的链设计分析软件包； 4 1 能够最大限度地减少具体分析任务中用，、的介入，但必须为用，、提供在必要时 控制分任务的工具； 3 桁架门式起重机土梁三维设计与分析 5 ) 集成高级网格生成工具和快速求解工具选项； 6 ) 能够处理所有常见类型的分析，例如静态、频率、失稳、接触和热力； 7 ) 能够进行扩展，以便与分析人员使用的高端分析软件包相结合； 8 ) 集成用于将设计意图传达给产品丌发部门中的其他成员的工具； 9 ) 能够提供良好的用户支持。 1 4 2c a d c a e 的应用软件 将主流分析集成到设计周期中是制造商迈出的重要一步，现在几乎所有的c a d 厂 家都认识到c a e 的重要性，先后在c a d 环境中加入了c a e 。虽然功能有弱有强，都 充分体现了设计分析一体化是c a d c a e 系统的发展方向，并在实施过程中获得了业务、 工程和生产效率方面的收益。其中，最有影响力的是s o l i d w o r k s 三维机械设计软件。它 作为三维c a d 软件的代表，也提供了相应的c a e 功能【7 】【9 1 。 s o l i d w o r k s 软件是基于w i n d o w s 开发的三维c a d 系统，由于技术创新符合c a d 技术的发展潮流和趋势，s o l i d w o r k s 公司于两年间成为c a d c a m 产业中获利最高的公 司【l0 1 。良好的财务状况和用户支持使得s o l i d w o r k s 每年都有数十乃至数百项的技术创 新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1 9 9 5 1 9 9 9 年获得全球微机平台c a d 系统评比 第一名；从1 9 9 5 年至今，已经累计获得十七项国际大奖，仅从1 9 9 9 年起，美国权威的 c a d 专业杂志c a d e n c e 连续4 年授予s o l i d w o r k s 最佳编辑奖，以表彰s o l i d w o r k s 的 创新和活力【1 0 1 。至此，s o l i d w o r k s 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落 实和证明，使用它可使设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场l 。 由于s o l i d w o r k s 出色的技术和市场表现，不仅成为c a d 行业的一颗耀眼的明星， 也成为华尔街青睐的对象【8 】。终于在1 9 9 7 年由法国达索公司以三亿一千万美元的高额市 值将s o l i d w o r k s 全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以一千三百万美元的风险投 资，获得了高额的回报，创造了c a d 行业的世界纪录【8 】。并购后的s o l i d w o r k s 以原来 的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为c a d 行业一家高素质的专业化公司， s o l i d w o r k s 三维机械设计软件也成为达索企业中最具竞争力的c a d 产品【8 】。 1 5 课题研究内容和意义 l 、课题研究内容 本论文致力于研究双梁桁架门式起重机主梁结构i 维c a d 设计系统的建立与分 析，拟采用v b 6 0 编制用户界面与函数模块；采用s o l i d w 6 r k s 2 0 0 9 作为图形支撑软件： 运用s o l i d w b r k s 2 0 0 9 中s i m u l a t i o n 插件进行有限元分析【m 1 。 本课题的主要研究内容如下： 4 第一章绪论 1 ) 对桁架门式起重机主梁结构进行设计，主要包括：主梁结构基本参数的确定， 载荷及载荷组合的计算及强度刚度稳定性的验算。 2 ) 利用三维设计软件s o l i d w o r k s 建立三维模型，绘制相关草图，结合s o l i d w o r k s 的焊件功能和桁架特点创建特征轮廓库，调用特征轮廓库，生成结构构件组合体，最终 得到桁架式门式起重机门架三维设计模型。 3 ) 利用v i s u a l b a s i c 6 0 完成桁架结构参数化设计的程序编制，最终生成三维模型及 设计说明书。 4 ) 针对具体实例进行有限元分析。 本课题流程框图如图1 2 所示。 图1 2 本课题流程框图 f i g1 2f l o wc h a n 2 、课题研究意义 1 ) 实现桁架式起重机由二维到三维设计的跨越 随着工程分析软件的飞速发展，传统的二维绘图在设计分析时以不能满足需求，尤 其在进行有限元分析时还需要重新建立有限元模型，导致广：品研发时间过长，设计人员 希望建立产品的三维模型，使产品趋于形象化、直观化，并通过投影自动生成二维工程 5 桁架门式起重机主梁三维设计与分析 图，避免了生产实物模型进行验证，大大提高了产品的研发效率，降低了产品的研发成 本，进而提高了企业的市场竞争力1 9 】。 2 ) 实现c a d c a e 的高度集成 利用s o l i d w o r k s 软件对桁架式起重机主梁进行参数化设计，并应用s o l i d w o r k s 集 成的仿真模块( s i m u l a t i o n 模块) 对其主梁进行了静态分析。此方法简便、快捷，实现 了建模与分析一体化设计，避免了因接口导入而引起模型变形问题，解决了桁架结构因 杆件多受力复杂带来的困难，对桁架式起重机的非标设计和产品研发提供了可靠的设计 依据1 9 1 。 6 第二章桁架门式起重机土梁结构设计 第二章桁架门式起重机主梁结构设计 2 1 桁架门式起重机结构 桁架结构是起重机金属结构中一种主要结构型式。按桁架式起重机构造可分为：桁 架式桥式起重机、桁架式门式起重机、塔式起重机等【1 4 1 。其中桁架式门式起重机被广泛 应用于车站、港口、工矿企业等露天场所，具有自重轻、迎风面积小、承载能力大等特 点，尤其适合中小起重量的工作场所f 1 4 1 。 2 1 1 起重机结构类型【1 4 】 l 、桁架式门式起重机按上部主梁数可分为单梁和双梁。单梁桁架门式起重机小车 一般采用电动葫芦，其构造简单、自重轻、制造容易、安装方便，属于低速轻载的机种。 双梁桁架门式起重机小车多为四支点标准的桥式起重机小车，作业速度高，起重量大【”】。 2 、按支腿构成可将桁架式门式起重机的金属结构分成刚性支腿、一刚一柔支腿等 型式。通常对跨度大于3 5 m 的门式起重机采用一刚一柔支腿。 3 、根据桁架式门式起重机主梁的截面型式不同可分为兀形双梁、四桁架式和三角 形截面等型式。兀形双梁桁架式门式起重机的金属结构承载大、刚性好，适用于高速 作业，但是自重较大，小车的维护不便；四桁架式双梁门式起重机的会属结构适用于较 大起重量和高速作业，其自重较轻、小车易维护；三角形截面双梁桁架式门式起重机的 结构由四桁架式结构演变而来，它不仅构造简单，而且自重较轻，适用于中、小起重量 及中等工作速度与跨度1 1 4 1 。 此外，桁架式门式起重机的金属结构内还有带悬臂、不带悬臂，轻型桁架和重型桁 架等构造型式。 2 1 2 桁架结构的组成及特点 1 、桁架的构造及分类【1 5 】 桁架是由许多杆件彼此按一定的规律通过焊接、铆接等连接方式连接构成的能承受 横向弯曲的格构式构件，主要承受轴向力。 桁架的杆件分为弦杆和腹杆。几片桁架共用的杆件称为弦杆，弦杆之间的所有杆件 称为腹杆体系，倾斜的腹杆称为斜杆，竖直的腹杆称为蛏杆【l5 。卡t 件耷一交的连接点称为 节点，相邻两节点的区间称作节问，通常把轻型桁架的节点视为铰接点，而把空腹桁架 的节点视为刚接点【1 5 j 。 空间桁架由主桁架、副桁架、上水甲桁架和下水半桁架组成i 】。其构造如图2 1 所 示。 7 桁架门式起重机主梁三维设计与分析 桁絮 次竖杆 f 水平桁架f 弦秆下一 图2 1 桁架构造图 f i g2 1 t r u s ss t r u c t u r ed i a g r a m 桁架按承载级别分为轻型桁架和重型桁架两类，桁架按支承情况分为简支桁架、悬 臂桁架和多跨连续桁架f 1 6 】。 工程中的桁架结构都是空问桁架结构，在进行结构受力分析时，为了简化计算，通 常将空间桁架划分成平面桁架来计算f 1 6 】。 2 、桁架的外形 设计桁架时，要解决的首要问题就是选择桁架的外形，一般取决于起重机的用途、 受力情况及载重小车的形式与位置【”1 。常用的桁架外形有以下三种： 1 ) 平行弦桁架 平行弦桁架如图2 2 所示，常用于桥式、门式起重机、桥梁和联系桁架，可以使制 造简化。由于弦杆在各节间受力不等，采用等截面弦杆时材料不能充分利用，采用变截 面弦杆又使构造复杂化，一般多采用平行弦桁架结构型式【1 引。 图2 2 平行弦桁架 f i g2 2p a r a l l e lc h o r dt r u s s 2 ) 上、下弦为折线形的桁架 上、下弦为折线形的桁架如图2 3 所示，这种桁架外形接近于弯矩图形状，比较经 济。图2 3 a 多用于桥式起重机的丰、副、斜桁架且自重轻、外彤美观；图2 3 b 用于塔 式或臂架起重机的伸臂，起重小牟可沿卣线形的卜弦或下弦杆上的轨道运行【l 。 8 第二章桁架门式起重机主梁结构设计 图2 3 折线形桁架 f i g2 3b r o k e nl i n et r u s s b 3 ) 三角形桁架 三角形桁架如图2 4 所示，适用于塔式起重机和悬臂式起重机的臂架结构，也常作 输送机的支架。其外形结构轻巧、受力较好。 图2 4 三角形桁架 f i g2 4t r i a n g l et r u s s 桁架的外形主要根据其用途和受力情况而定。桁架外形与其所受的弯矩图相适应， 可使各处的弦杆内力大致相等，并可采用等截面弦杆，以充分利用材料。 3 、桁架的腹杆体系 桁架腹杆主要承受节问的剪力，腹杆的布置应使杆件受力合理、结构简单、制造方 便、腹杆和节点数目最少以及形状尺寸尽量相同，以节省材料和便于制造。斜腹杆的倾 角对内力影响很大，一般应在3 5 0 - 5 5 0 之间，而4 5 0 最为合理，此外，应使长杆受拉，短 杆受压【1 4 】。常用的腹杆体系有三角形腹杆、斜杆式、再分式、十字形、菱形、k 形和无 斜杆式腹杆1 1 4 l 。 三角形腹杆体系是最常用的承受垂直载荷的结构型式，分为无竖杆三角形腹杆体系 和有竖杆三角形腹杆体系两种如图2 5 所示。无竖杆三角形腹杆体系节点数目少，腹杆 总长度小，但弦杆节间长度大，适用于受力小的桁架；有竖杆三角形腹杆体系受力较大， 更适用于弦杆上有移动载荷的情况，这时采用竖杆以减小弦杆节问长度1 1 5 o 医圈 b ) 图2 5 二角形股杆体系 f i g2 5t r i a n g l eb e ll yb a rs y s t e m 9 桁架门式起重机土梁三维设计与分析 斜杆式腹杆体系如图2 6 所示，多用于斜腹杆受拉力的桁架，如悬臂式桁架，这种 体系使长斜杆受拉，短竖杆受压，节点尺寸相同，是一种合理而经济的结构型式1 1 4 】。 困圆 b ) 图2 6 斜杆式腹杆体系 f i g2 6a b d o m i n a lo b l i q u er o dr o ds y s t e m 再分式腹杆体系如图2 7 所示，常用于大跨度桁架。当跨度大，桁架高度亦随之增 大，为减小弦杆受移动载荷作用时产生局部弯曲造成的不利影响，宜采用再分式腹杆体 系，以减小弦杆的节间长度15 1 。 陟弋y 弋 图2 7 再分式股杆体系 f i g2 7a n o t h e rf r a c t i o nb e l l yb a rs y s t e m 十字形、菱形、k 形和无斜杆式腹杆体系如图2 8 所示。十字形和菱形体系适用于 桁架高度大而节问长度约等于高度的情形，k 形体系用于节问长度小于桁架高度的情 形。菱形腹杆体系可用于上、下弦杆均受有移动载荷的结构。无斜杆式腹杆体系杆件最 少但承受弯矩，相同节点多，因受弯矩作用使构造复杂，可用作承载桁架和水平桁架， 有时也用于臂架，比较美观【1 6 1 。 q ) c ) b ) 皿 d ) 图2 8 十字形、菱形、k 形腹杆和空腹杆体系 f i g2 8c r o s s 、d i a m o n d 、k s h a p e db e l l yb a ra n dr o ds y s t e mf a s t i n gr o ds y s t e m 1 0 第二章桁架门式起重机土梁结构设计 4 、桁架特点 桁架是金属结构中一种主要型式，与梁结构相比，其优点是省材料，刚性大，重量 轻，制造时容易控制变形【1 7 】，当跨度大而起重量小时，采用桁架比较经济，因此，桁架 适用于载荷小而跨度大的结构。其缺点是杆件多、备料难、受力复杂、组装费工。 2 2 桁架计算模型建立过程 实践证明，在计算桁架时要做合理假设：节点是光滑的铰接点；将空间桁架分解成 若干平面架计算；桁架杆件的重心线与几何轴线重合，并认为平面桁架的所有杆件轴线 位于同一平面内，外载荷作用在桁架节点上【1 4 】。 通过以上假设，使得桁架的杆件只承受轴向载荷，成为理想的轴心受拉或轴心受压 杆件。 桁架设计步骤如下【1 6 】： 1 ) 根据受力特点、使用要求选择桁架外形，确定桁架腹杆体系1 6 】； 2 ) 确定桁架的主要参数和尺寸【1 6 】； 一 3 ) 分析桁架计算简图； 4 ) 确定各杆件计算长度及极限长细比【怕1 ； 5 ) 计算各杆件内力； 6 ) 设计各杆件断面； 7 ) 整体刚度计算； 珏 8 ) 节点及焊缝设计【16 1 ； 9 ) 绘制桁架总图。 2 3 主梁结构主要技术参数 桁架主梁的主要参数有跨度、长度、高度、节间数目、节问距和重量【1 7 】。 1 、桁架的跨度 桁架跨度( 或长度) 取决于使用要求和总体方案。桥式起重机桁架跨度取为支承结 构上轨道的间距，臂式桁架以两支承铰，i i | 、开j 距为其长度，塔式桁架长度由起重机的起升 高度和构造所决定【1 5 1 。 2 、桁架的高度 桁架高度指桁架弦卡| 轴线的最大问距。桁架高度与强度、刚性和亟量有关，由于强 度条件容易满足，通常桁架高度由刚性条件决定。 1 1 桁架门式起重机主梁三维没计与分析 对平行弦桁架，按静态刚性条件可求得桁架高度为： h ：f ，去占 s ( 2 1 ) l1 4 16 上式中：卜桁架的跨度 按刚性条件决定的桁架高度为最小高度，桁架的理想高度按桁架重量最轻条件确 定。桁架重量是桁架高度的函数，当弦杆重量约等于腹杆重量时可求得理想高度。对平 行弦桁架的理想高度为： = ( 言舢亿2 ， 桁架的理想高度为最大高度，桁架实际应用的高度介于最小高度和最大高度之间， 对桥式起重机取1 1 2 - - 1 1 5 s ，当整体桁架运输时，桁架高度不得超过铁路运输净空界 限，一般不超过3 4 m ，必要时可按最大界限运输或分散装运【15 1 。对简支外伸臂桁架在 支承处的高度可取与跨中相同的高度，或取伸臂长度的1 4 。 3 、1 了l h 足巨 当桁架高度确定后，节间距由划分的节数或斜腹杆的倾斜角所决定，节数最好是偶 数且对称于跨中央6 1 。为使桁架质量小且制造简单，将斜腹杆的倾角取为4 5 。在平行 弦桁架或折线形桁架中，节间距就等于桁架高度，节问距通常可取为1 5 3 m ，而大跨度 桁架节间距可达5 8 m 14 1 。 4 、桁架质量 桁架的质量可按类似结构的统计资料获得或由相关手册中查找计算依据，由于桁架 用途不同，其质量也不同，应根据具体情况确定。 2 4 杆件截面设计 l 、杆件截面设计的一般原则【1 4 j ； 1 ) 为便于备料和制造，在同一桁架中所选型钢规格不许超过五种； 2 ) 要尽量选用肢宽蹙薄的型钢，以增加杆件的刚度，减轻自重； 3 ) 桁架杆件所用角钢型号不小于z 5 0 5 0 5 ，钢板厚度不应小于5 m m ，钢管壁厚 不小于4 r a m i m l ； 4 ) 用两根型钢( 角钢或槽钢) 组成的杆件，为了保证这两根型钢共同工作，需在 杆l j = = 的相当位置用帮板连缀起来14 1 ，挚板问距，杆受压时，4 0 厂，杆受拉时，8 0 r ，其 中，表示型钢连缀长度，厂表示单根型钏对自身轴的回转半径，组合截面的杆件按实腹 杆计算。 第二章桁架门式起重机主梁结构设计 2 、秆件截曲选掸 根据桁架的用途选定钢材种类，按所求得的内力选择杆件截面、确定连接方法及进 行验算f j 5 】。 拉杆和压杆可按下列公式选