QTZ40塔式起重机——塔身的优化设计【全套CAD图纸+WORD毕业论文】【工程机械】

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目录
第1章 前言······················································1  
1.1塔式起重机概述··············································1
1.2塔式起重机的发展情况········································1
1.3塔式起重机的发展趋势·······································3
第2章 总体设计··················································5
2.1 概述······················································· 5
2.2 确定总体设计方案············································5
2.2.1 金属结构···············································5
2.2.2 工作机构···············································22
2.2.3 安全保护装置···········································29
2.3 总体设计设计总则···········································32
2.3.1 整机工作级别 ··········································32
2.3.2 机构工作级别···········································32
2.3.3主要技术性能参数······································· 33
2.4 平衡重的计算···············································33
2.5 起重特性曲线···············································35
2.6 塔机风力计算·············································· 36
2.6.1 工作工况Ⅰ············································37
2.6.2 工作工况Ⅱ············································41
2.6.3 非工作工况Ⅲ···········································43
   2.7整机的抗倾翻稳定性·········································45
       2.7.1工作工况Ⅰ············································46
       2.7.2工作工况Ⅱ············································47
       2.7.3非工作工况Ⅲ··········································49
       2.7.4工作工况Ⅳ············································50
   2.8固定基础稳定性计算·········································51
第3章 塔身的有限元分析设计···································53
3.1 塔身模型简化···············································53
3.2 有限元分析计算·············································54
   3.2.1 方案一···············································54
   3.2.2 方案二··············································79
   3.2.3 方案三··············································98
第4章 塔身的受力分析计算····································121
4.1 稳定性校核················································121
4.2 塔身的刚度检算············································122
   4.3 塔身的强度校核············································124
4.4 链接套焊缝强度的计算······································125
4.5 塔身腹杆的计算············································126
4.6 高强度螺栓强度的计算······································127
第5章 毕业设计小结···········································129
致谢·····························································130
主要参考文献····················································131
一、论文资料的准备
(一)　塔式起重机概述
塔式起重机是一种塔身树立起重臂回转的起重机械，简称塔机，也叫塔吊，起源于西欧。具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度大、操作方便以及安装与拆卸比较简便等特点。主要完成在高层建筑施工中预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作。塔式起重机必须具备下列特点：
①起升高度和工作幅度较大、起重力矩大；
②工作速度高，具有安装微动性能及良好的调速性能；
③要求拆装运输方便迅速，以适应频繁转移工地的需要。
(二)国外塔式起重机的发展现状
二次世界大战结束以后，由于许多国家夷为平地，庞大而艰巨的家园重建工作，要求建筑施工实现机械化，以加快建设进度。作为建筑机械化主导机械，塔式起重机得以应运而迅猛发展。近些年来随着机械工业的进步塔式起重机又有了新的发展趋势。
①组合塔机或称模块塔机：所谓组合塔机，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔机分解为若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理将各部分划分并设计成若干模块。根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特点的塔机，以满足施工的具体要求。
②一些超重型塔机相继问世：近年来由于大功率电站、高坝、近海石油钻井平台、天然气钻井平台以及石油化工业发展的需要，对重型和超重型塔机提出了更多更高的要求。如今，幅度70～90m、最大起重量50～60t、起升高度100～300m的塔机已非罕见。
③适应都市改建需要的城市塔机应运而生，并得到发展，其特点是：采用短平衡臂、可在4m×4m～6m×6m尺寸范围内进行X形底架、运输方便快捷、安装架设速度快、采用较完善的调速、操纵系统和电子仪表。
(三)我国塔式起重机的发展趋势
我国大规模经济建设已有二十来年的历史，这二十来年里，大量建筑物的涌现和大型工程的兴建，铁路、公路桥梁的建设，给塔式起重机提供了良好的市场。我国的塔式起重机发展趋势可以分以下几个方面：

①　我国塔机产品的品种、型号、规格应向多样化发展，以适应不同工程、不同用户的需求。
②　适当发展动臂式自升塔机和折曲式两用臂架自升塔机的生产，以适应塔机出口市场和国内大中型城市内某些特定工程和钢结构高层建筑施工的需要。
③　 更多的采用组装式结构，做到产品系列化，部件模数化，以不同模数塔身、臂架标准节组合成的变断面塔身和臂架，这不仅能提高塔身、臂架的力学性能，减轻塔式起重机自重，而且可明显减少使用单位塔架、臂架的储备量，为单位节约成本。便于产品更新换代，简化设计制造，提高塔机使用的经济效益。
(四)QTZ40塔式起重机概述
   QTZ40塔式起重机为按照最新标准JG/T5037-93《塔式起重机分类》设计的加强型塔式起重机。额定起重力矩40tm，最大起重量为4t。该机以基本高度30m供货，用户若需高层附着施工只需向厂方提出另行供货要求，即可增加某些部件实现本机的最大设计高度100m,也就是附着高层施工可建高楼32层以上。
(五)ANSYS软件的发展状况
“有限元”这个词语于1965年首次被提出，经过大约40多年的不断发展和完善，
到今天已广泛应用于各种不同的工程之中，有限元思想的核心就是把实际结构离散化，假想地使实际的结构离散为有限数目个类似结构的个体，然后通过分析这些有限个体的性能来求出满足实际工程要求的计算结果，从而代替对于具体复杂实际结构的求解。经过离散化，应用有限元思想，可以解决很多实际复杂的工程问题，并在理论研究和工程应用两方面都具有极其重要的实用价值。
1970年，美国著名力学专家、匹兹堡大学教授 John Swanson创建了ANSYS公司，通过四十余年的发展壮大，已经逐渐成为全球CAE行业中最大的公司。在发展过程中，ANSYS软件不断改进提高，性能也不断增强，可靠性也不断得到保证，在易用性和适应运行环境等其他方面也日趋完善，基本上完全能够满足当前用户对于有限元分析软件的要求。ANSYS作为一个大型通用软件，可以广泛的应用于结构、流体、声场、热、祸合场、电磁场上面，其使用用户能够涵盖机械、土木建筑、水利、生物、医学、能源、航空航天和交通运输等各行各业的不同领域，利用ANSYS软件，能够将实际模型置于各种各样不同的复杂实际工况之中，准确并合理的分析，优化设计，减少实际试验的物质和人力投入，提高工作效率，缩短研发周期从而能够为提高利润做出贡献。使用ANSYS软件分析，包含以下几个过程:建立模型、划分网格、加载和求解、结果后处理。

二、本课题的目的（重点及创新点）
本次毕业设计是对机械专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大学生在校所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼学生独立工作能力和创新精神的最佳手段。毕业设计要求每个学生在工作过程中，要独立思考，刻苦钻研，有所创新、解决相关技术问题。通过毕业设计，使学生掌握塔式起重机的总体设计、塔身的设计、整体稳定性计算等内容，为今后步入社会、走上工作岗位打下良好的基础。
随着市场竞争的日益激烈，降低成本、提高产品质量及缩短产品开发周期已经成为企业生存和发展的关键。塔式起重机尤其是大吨位的塔机，其施工高度高，塔身成本占总成本的比重较大，通过塔身的结构优化，降低塔身重量是降低塔式起重机成本的关键之一。
传统的设计方法，一般是根据经验选定塔身的截面尺寸、主弦杆和腹杆的截面面积以及节距等参数，然后进行校核，这样设计的塔身, 结构自重偏大，材料的利用率低， 成本高，经济效益不好。
塔机结构现正经历从传统设计到现代设计方法的过程。传统设计计算复杂、耗时，不利于在激烈市场竞争中缩短设计周期，提高设计质量。计算机辅助设计、优化设计和有限元法等现代设计方法受到塔机科技人员越来越广泛的重视。
   塔身是塔式起重机的重要组成部分,利用大型有限元软件ANSYS对QTZ40塔式起重机塔身进行工作及非工作状态分析计算，得到了塔身工作及非工作状态总位移分布云图、各种状态下塔身当量应力分布云图；根据分析结果对其结构进行了有限元分析法设计，有效控制了可能出现的危险，增强了设备的安全性。

三、主要内容、研究方法、研究思路
(一)主要内容
（1）设计任务：
①总体参数的选择（QTZ40级别）  ②结构形式
（2）总体设计
①主要技术参数性能  ②设计原则  ③平衡重的计算  ④塔机的风力计算  ⑤整机倾翻稳定性的计算
（3）塔身的设计和计算
   ①塔身的结构形式及尺寸 ②塔身的设计和有限元分析及计算
(二)研究方法
   ①类比法：参考国内同类型塔式起重机设计；
   ②有限元分析法：利用有限元分析软件对塔身进行设计计算。
(三)研究思路
在毕业设计时,当我们收到设计任务书时首先对研究对象进行细致的调查, 收集国内外有关资料并通过对资料的调研、加工与整理了解国内外的使用、生产、设计和科研情况，并进行分析比较，制定设计原则。设计原则应当保证所设计的机型符合有关的方针政策。
在毕业设计工作中，通过掌握正确的设计思想，综合运用多学科的理论、知识与技能在认真的科学态度和严谨的工作作风下分析并解决设计中遇到的问题。先通过整体参数的计算来确定塔式起重机的设计方案，同时了解不同塔式起重机结构的差别。再逐步确定各个装置的结构及具体尺寸，也应参考同类机型的设计，来确定本次塔式起重机整体设计的最终结构及尺寸，最后运用有限元分析法对塔式起重机的塔身进行计算和分析。