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II墙壁式旋臂起重机结构设计与分析摘要：本次课题首先进行墙壁式旋臂起重机结构形式选择，然后将所选择结构转化为力学模型进行受力分析，并选择工件材料，确定工件尺寸。根据计算结果，在SolidWorks对所选墙壁式旋臂起重机结构进行三维建模，并运用ANSYS对所建三维模型进行静态有限元分析，分析内容包括起重机整体变形与其所受应力。墙壁式旋臂起重机是一种安装在墙壁上的起重设备，结构独特，安全可靠，具备高效、节能、省时省力、灵活等特点，在生产车间运用广泛。关键词：墙壁式旋臂起重机；三维建模；结构设计；有限元分析 Structure Design and Analysis of Wall Jib CraneAbstract This paper chose the structure of the wall jib crane first,and then translated the selected structure into mechanical model for stress analysis, and selected the parts material and designed the dimension of the parts. After the design calculation, used SolidWorks to 3D model the selected wall jib crane, and used ANSYS static finite element to analyse the 3D model. The analysis include the overall deformation of crane and its stress. The crane structure is finally obtained.The wall jib crane is a lifting equipment installed on the wall. It has many features:unique stuctures, safe, reliable, high efficiency, energy saving, time saving, labor saving, flexible and so on.So it is widely used in the production workship.Keywords: Wall jib crane；3D model；Structure design；Finite element analysis目 录摘要Abstract目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc421692311 1绪论1 HYPERLINK l _Toc421692312 1.1本课题研究背景及意义1 HYPERLINK l _Toc421692314 1.2墙壁式旋臂起重机简介2 HYPERLINK l _Toc421692315 1.3墙壁式旋臂起重机结构类型2 HYPERLINK l _Toc421692316 1.4本课题研究内容3 HYPERLINK l _Toc421692317 2 墙壁式旋臂起重机参数确定5 HYPERLINK l _Toc421692318 2.1墙壁式旋臂起重机型号与参数确定5 HYPERLINK l _Toc421692320 2.2 旋臂工字钢型号选择6 HYPERLINK l _Toc421692321 2.3 确定拉杆的材料和尺寸7 HYPERLINK l _Toc421692322 2.4 计算各螺栓连接7 HYPERLINK l _Toc421692323 2.5 确定各装配板的材料及尺寸8 HYPERLINK l _Toc421692324 3墙壁式旋臂起重机三维建模12 HYPERLINK l _Toc421692325 3.1墙壁式旋臂起重机建模方案12 HYPERLINK l _Toc421692327 3.2 主梁建模12 HYPERLINK l _Toc421692328 3.3 拉杆建模14 HYPERLINK l _Toc421692329 3.4装配板建模 14 HYPERLINK l _Toc421692330 3.5螺栓螺母调用16 HYPERLINK l _Toc421692331 3.6装配体建模步骤17 HYPERLINK l _Toc421692333 4静力分析20 HYPERLINK l _Toc421692334 4.1有限元分析概述20 HYPERLINK l _Toc421692335 4.2有限元结构分析20 HYPERLINK l _Toc421692337 5总结26 HYPERLINK l _Toc421692313 参考文献 绪论本课题研究背景及意义墙壁式旋臂起重机是一种中小型的起吊运输设备，其按结构可分为：桥架式、轻小型起重设备、臂架式，其中墙壁式旋臂起重机就是属于其中的臂架式起重机设备 。伴随着我国整体经济建设进一步提高，大幅度增加的商品流通，快速发展的运输交通业，起重机运输机械的需求量也越发突显出来，对其使用性能的要求也日益提高，在这些设备的生产过程中都必须要使用轻便快捷的起重设备。墙壁式旋臂起重机设备属于通用机械，在高速发展的20多年中，渐渐的向着规模化，集团化，机械化方向发展。在机械行业的辅助加工生产广泛接受，能够起到实现各加工工序连续性和自动化的作用，极大地提高了劳动生产率，减轻劳动强度。具有平稳可靠的工作，简单便捷的操作维护等优点。伴随着我国整体经济建设进一步提高，大幅度增加的商品流通，快速发展的运输交通业，起重机运输机械的需求量也越发突显出来，对其使用性能的要求也日益提高，虽然如此，但是随着我国制造业的发展，目前，旋臂起重机产品综合性能比较差。对于旋转起重机而言，中国产品性能比日本产品强，但使用经济性，可维护性，操作便利性和可靠性相对要差。中国产品虽然起重性能并不亚于国际品牌，但旋臂起重机的几何结构和载荷情况比较复杂，传统的设计主要是根据经验确定其结构参数，没有精确的强度计算，为了满足可靠性要求，通常取较大的安全系数，从而造成材料浪费，成本提高需要继续进行更好的研发。随着现代计算机控制技术飞速发展，使得旋臂起重机的设计在综合考虑控制系统安全可靠性，操作的舒适性，机构及结构优化等方面有了更高的要求。旋臂起重机创新设计的发展方向是零部件集成化，机构简洁化，结构全面优化的整机设计；满足个性用户的特殊要求的个性化设计；满足市场多样性和低成本要求的具有新技术特征的起重机新系列产品的模块化设计；基于产品全寿命周期的方便维护维修的设计及免维护的设计；大型单台复杂产品的虚拟设计及动态仿真的实现。真正意义上的创新设计是上述诸多设计方法和技术的有机组合及综合利用。墙壁式旋臂起重机简介起重机根据结构类型可分为：轻小型起重设备、桥架式、臂架式、缆索式 ，而墙壁式旋臂起重机属于其中的臂架式起重机，工作情况如图1-1所示。 图1-1 墙壁式旋臂起重机墙壁式旋臂起重机也可以叫做墙壁吊。墙壁式旋臂起重机自身拥有的特点就是：结构简单，使用操作过程方便，工作范围灵活，作业空间广等优点，在吊运装备中属于是节能高效的一类，在日常生产中广泛使用于车间的装配线，生产线和生产中的上下工件及仓库，货场等场合的重物吊运。墙壁式旋臂起重机又称墙壁吊，在靠近墙壁处服务于一个半圆形空间，是一种往复的，间歇动作的，短距离搬运机械，它旋转工作范围通常为180。壁式旋臂起重机用于吊起轻小型重物，它的起重范围一半为0.5t 5t，可沿着墙壁，大大的提高电动葫芦使用的工作范围，是一种非常经济的起重设备。1.3 墙壁式旋臂起重机结构类型墙壁式旋臂起重机结构类型大概分为两种，一种为带斜拉杆的结构如图1-2（2），一种为不带斜拉杆的结构如图1-2（1）。依照其实际工作需求和环境要求，灵活的选用墙壁式旋臂起重机，才能够使其发挥最大化的用途。图1-2 墙壁式旋臂起重机结构形式（带拉杆）图1-3 墙壁式旋臂起重机结构形式（不带拉杆）1.4本课题研究内容1.4.1确定起重机参数本课题为墙壁式旋臂起重机结构设计与分析，主要对所选起重机金属结构部分进行设计、建模与分析，使所设计起重机金属结构满足强度使用要求。所选起重机参数如下： 起重量：2t；回转半径：3.5m；起升高度：；旋转角度：1801.4.2 确定起重机结构与设计计算结果(1) 起重机结构确定前面提到墙壁式旋臂起重机总共有两种主要形式，本次设计由于起重机跨度大，悬臂长度过长，为了增加起重机的稳定性，则选择带有斜向拉杆形式的结构。 (2) 相关设计计算 第一步：选取各零件和组件的材料，选定主梁和拉杆的截面形状； 第二步：计算所选择各零件的受力，并对结构受力分析； 第三步：对零件进行校核，根据要求的刚度强度计算部件结构尺寸。（3）建模与分析第一步是把各个部分部件依据前期运算所确定的尺寸，在SolidWorks三维建模软件进行零件的建模，每个零件的三维模型建立完毕后，第二步依据装配关系，完成起重机的装配，在使用ANSYS软件打开装配体，加入零件材料，正确的建立零件相互间的连接关系，依照实际受力对起重机添加载荷，完成起重机的静态有限元分析。2 墙壁式旋臂起重机参数确定2.1墙壁式旋臂起重机的参数确定(1) 起重机受力 根据起重机起重量为2吨，查河北真牛起重设备有限公司电动葫芦产品手册，选取自重的电动葫芦。选择截面梁为工字钢的主梁，型号是32a,查阅钢型手册可知，理论质量。 (2) 计算主梁受力对主梁作分离分析，解出受力状况如下图2-1所示：图2-1 主梁受力根据结构力学知识，分析主梁的受力，及主梁为二次超静定结构，撤去B处与拉杆连接的力，以代替，如下图2-2所示：图2-2 分解受力图根据三角形原理算得， ；所以，斜拉杆施加给主梁的拉力。根据以上计算可得主梁受力图示如下图2-3（a）,主梁所受弯矩，弯矩图如下图2-3（b）所示。主梁受力图主梁弯矩图图2-3 主梁受力、弯矩图2.2旋臂工字钢型号选择查机械设计手册，选择工字钢材料为Q235，得到Q235的性质如下：抗拉强度；屈服强度；取安全系数为S=2；许用应力，结合前面的计算结果，所以危险截面是主梁与拉杆连接的B处。这时抗弯截面系数计算得出查材料力学型钢表选择18号工字钢进行校核，此时，截面积。同时考虑轴力及弯矩M的影响，进行校核。工字钢危险截面B的下边缘各点上压应力为结果表明，18号工字钢可以满足强度要求，所以选择工字钢梁的型号为18a。2.3 确定拉杆的材料和尺寸选择强度高的材料设计拉杆，本次设计拉杆的材料选为45#圆钢。45#钢是在机械设备中常用的一种材料，其参数为：抗拉强度；屈服强度；设计中拉杆安全系数；拉杆的许用应力。综上所述，拉杆选为直径为30mm的45#圆钢。2.4 计算各螺栓连接本次起重机设计所有连接处均选用螺栓连接，将所有螺栓连接。均为铰制孔用螺栓，查机械设计螺纹表选取螺栓性能等级为4.6，螺母性能等级为4级。由选择的螺栓连接的性能等级，可得到螺栓的性能：公称抗拉强度，屈服强度。选取螺栓连接的安全系数，抗剪安全系数，。得出螺栓抗拉许用应力；抗剪许用应力；挤压许用应力2.5确定各装配板的材料及尺寸作为起重机中重要的零件，选择装配板的材料为Q235。根据之前螺栓直径及拉杆直径的计算，可以确定在各装配板上螺栓孔的直径和个数。装配板1尺寸设计 图2-6 装配板1基本尺寸 装配板2尺寸设计。 图2-7 装配板2基本尺寸 装配板3上尺寸设计 图2-8 装配板3上基本尺寸装配板3下尺寸设计 图2-9 装配板3下基本尺寸主梁安装孔尺寸设计起重机主梁选取18#工字钢。其余具体尺寸见图2-18(a)和2-18(b)（单位：mm）。 (a) 主梁根部 (b) 主梁端部图2-10 主梁安装孔 墙壁式旋臂起重机三维建模3.1 墙壁式旋臂起重机建模方案根据前面计算所得起重机金属结构部分根据设计尺寸建出相应零件模型，然后将零件按照装配要求组装成完整的装配体用于分析，再将装配体和零件转化为工程图。对于墙壁式旋臂起重机的设计，为保证其形象性，准确性，我采用SolidWorks软件进行三维建模，SolidWorks是一款参数化，基于特征的实体造型系统，具有单一，集成的数据库功能。SolidWorks的用户可以运用智能的，基于特征的建模方法生成各种特征和实体模型及各类工艺特征，如体、腔、壳、孔、筋、槽、倒圆角及倒角等，这些功能使设计者的操作更加快捷和灵活零件建模完成后按照安装要求组装成壁式起重机，并能符合相应运动要求。3.2主梁建模工字钢拉伸利用SolidWorks软件，新建零件，首先选定基准面，根据18#工字钢的截面形状和尺寸在草图中绘制工字钢截面，绘制完成后退出草图，使用拉伸命令，输入工字钢长度3500，点击完成拉伸。这样得到标准18#工字钢如图3-1。 图3-1工字钢建模主梁安装孔建模得到18#工字钢的建模后，要在工字钢梁上对安装板1、安装板2及限位角钢的安装孔进行建模。首先对安装板1和限位角钢的安装孔进行建模，选定绘制草图的前视基准面，在相应的尺寸位置绘制草图如图3-2(a)，草图绘制完成后退出草图，选择拉伸切除命令，即在主梁的对应位置上完成安装孔的建模如图3-2(b)。 (a) 安装孔草图 (b) 安装孔特征图3-2 主梁安装孔建模3.3斜拉杆建模图3-3 斜拉杆建模3.4装配板建模介绍装配板的建模过程时，由于装配板1、装配板2和上下装配板3结构形式相同，建模过程也类似，只是尺寸上的不同，所以只以装配板2作为示例进行介绍其建模过程。装配板2建模装配板2建模的首先也是建立空心圆柱模型，该步建模过程同装配板1，只是绘制同心圆的尺寸不同，所以该步过程参考安装板1的过程。空心圆柱建模完成后，选择上视基准面绘制侧板的草图如图3-4(a)，将草图两侧对称拉伸，可得到侧板如图3-4(b)。 侧板草图 (b) 侧板模型图3-4 侧板拉伸初始模型建好后，要对侧板的安装孔进行拉伸切除，选定右视基准面，按照定位尺寸与加工尺寸绘制安装孔的草图如图3-5(a)，利用草图对侧板进行拉伸切除，再对安装板3的相应边线进行倒角和倒圆角，就能得到图3-5(b)所示的安装板3。 (a) 侧板草图 (b) 安装板3图3-5 安装板3建模3.5螺栓螺母调用螺栓调用螺栓是标准件可以在SolidWorks中的Toolbox插件中直接调取标准件使用，减少建模时间。下面以螺栓的调用过程：在SolidWorks初始界面点击右侧的“设计库”图标，在弹出的工具栏中，双击选择toolbox。Toolbox插入下点击现在插入，然后在弹出的各文件夹下选择“Gb”即“国标”文件夹。在弹出的子文件夹中选择“bolts and studs”即螺栓文件夹，再选择六角头螺栓子文件夹下的“六角头铰制孔用螺栓 A和B级 GB/T27-1988”一项，右键点击“生成零件”选项。在弹出生成螺栓属性的命令栏中，选择的螺栓，长度选择如图3-6(1)，点击确定即能得到满足使用要求的简化螺栓如图3-6(2)。 (1) 螺栓属性 (2) 螺栓图3-6 螺栓调用螺母调用螺母标准件的调用过程与螺栓类似，以的螺母为例介绍调用过程。前两步的打开过程和螺栓一样，只是从第三步中“Gb”下的子文件夹中要打开“螺母”文件夹，在螺母文件夹内选择“六角螺母”文件夹，选择“六角螺母 C级 GB/T 41-2000”型螺母。在弹出的螺母属性栏中选择的螺母如图3-7(1)，选择完属性点击确定，就能得到符合要求的螺母如图3-7(2)。 (1) 螺母属性 (2) 螺母图3-7螺母调用3.5装配体建模步骤零件导入在SolidWorks中新建装配体后，首先要插入零部件，本例中首先导入工字钢主梁，接着导入其它零件，为了装配过程中不产生混淆，相同或类似的零件最好等上一个相似零件装配完成后再导入另一个。配合配合的过程就是将导入的零件按照装配关系装配的过程，介绍配合过程时，类似的配合及所用命令相同的配合只选取单例介绍。装配板1与主梁配合装配板1与主梁的配合首先选定装配板1的某个安装孔，让其与主梁上与之对应的安装孔以同轴方式配合；第一步配合完成后选择选择主梁腹板的某个面和装配板侧板的面重合；该步完成后就能得到配合完成的装配板1与主梁如图3-8。图3-8 安装板1配合下装配板2装配装配板1与下装配板2配合首先选定装配板2侧板安装孔与装配板1的圆柱孔配合，然后选择装配板2相应平面与装配板1侧板面平行，就可配合完成装配板1与下装配板2图3-9。图3-9 安装板2装配拉杆装配将拉杆一端侧板安装孔与主梁上对应的安装孔以同轴的方式配合，再选择拉杆一端装配板上某个面与主梁的某个面重合，之后就能得到正切的配合，拉杆即装配完成如图3-10。图3-10 安装板装配将所有零件依照前面所述装配方法，按照装配关系装配完成即可得到图3-11所示完整的起重机金属结构。图3-11 起重机装配体 静力分析有限元分析概述为了保证所设计的起重机符合使用要求，在实际生产前要对设计的结构运用分析软件进行强度及变形等静态分析。此次分析过程中，运用ANSYS软件进行起重机整体变形和起重机金属结构所受应力的分析。根据第2章介绍，起重机应用材料除了拉杆应用45#钢外，各安装板、螺栓、螺母和主梁材料都为Q235钢。在分析过程中需要添加材料性能，现查得两种材料的性能如表4-1所示：表4-1 材料性能表 性能材料 材料密度（ ）弹性模量（ ）泊松比Q23545#钢起重机结构的分析过程要明确起重机的受力大小和类型，以及起重机的约束形式，本次课题分析中，要加载的力为起重机的起升重量和电动葫芦自重，总载荷，上下安装板5为固定端，其安装面为固定约束。起重机自重在分析中添加为“地心引力”类型。起重机具体受力形式可以参考图2-1。有限元结构分析在Workbench中新建静态分析，弹出图4-1所示对话框，在第二栏“Engineering Data”双击，打开添加材料的窗口。按照表4-1给出的材料性能依次将Q235和45#钢添加进来。返回新建静态分析界面，在第三栏“Geometry”中导入在SolidWorks中建好的装配体模型，然后双击第四栏“Model”进入分析界面。下面部分介绍分析的具体过程。图4-1 静态分析对话框选择零件材料在分析界面左侧工具栏如图4-2(a)中，选中零件模型，在界面左下角会出现零件属性表如图4-2(b)，在“Material”下的“Assignment”栏中选择零件材料，拉杆为45#钢其余零件为Q235。 (a) 分析工具栏 (b) 零件属性表图4-2 零件材料设置建立零件连接方式在图4-2(a)中的“Connection”中设置零件的连接方式，Workbench分析导入的装配体，软件默认设置相接触的零件表面为焊接，因为默认连接方式和实际连接差别不大，所以本次分析中选择软件默认添加的连接方式，对连接部分没有做修改。划分网格在图4-2(a)的工具栏中选择“Mesh”划分网格，选中“Mesh”右键中选择“Generate Mesh”就能自动划分出如图4-3所示网格。图4-3 网格划分添加载荷与约束在图4-2(a)的工具栏中，选中“Static Structural (A5)”右键“Insert”会弹出图4-4所示的命令栏，在弹出的命令栏中选择要加载荷、约束的类型。图4-4 载荷类型图添加固定约束：选择图4-4中的“Fixed Support”为固定约束，选择后界面左下角弹出图4-5所示对话框，在“Geometry”中选择上下安装板5的安装面点击“Apply”，即可添加该固定约束。图4-5 固定约束属性栏添加载荷：选择图4-4中的“Force”为载荷项，选择后界面左下角弹出图4-6(a)所示对话框，在“Geometry”中选择主梁下翼板的受力面点击“Apply”，即可添加图4-6(b)所示载荷。 (a) 载荷属性栏 (b) 加载示意图图4-6 加载过程图添加重力：选择图4-4(a)中的“Standard Earth Gravity”添加标准地心引力即重力，在界面左下角弹出的图4-7所示的属性栏中选择正确的重力方向（本例为-Y方向），重力就添加完毕。图4-7 重力属性栏添加求解内容在图4-2(a)的工具栏中，选中“Solution (A6)”，在图4-8所示的界面上方工具栏中选择“Deformation”下的“total”，添加起重机结构的整体变形为求解结果；再选择“Stress”下的“Equivalent (von-Mises)”添加应力求解项。图4-8 求解内容图分析求解结果完成上面步骤后，点击图4-8工具栏上的“Solve”，软件就会求解出起重机结构在所加载荷与约束下的变形和应力。求解出的应力结果如图4-9所示。 图4-9 应力图从求解出的结果看，最大应力，出现在拉杆上如图4-9所示，拉杆选用材料为45#钢，其最大许用应力，因此，该设计结构零件强度符合强度要求。求解出的起重机变形量如图4-10所示。图4-10 变形图从从分析结果图看出，最大变形量查起重机设计手册的跨度为，起升高度为的壁式起重机允许最大变形量。，因此，该设计起重机变形没有超过允许值，符合挠度要求。综上，最终的起重机能够满足强度和挠度要求，所以最终的设计能达到课题设计要求。总结通过这次对墙壁式旋臂起重机的结构设计与分析，重新学习了大学四年所学的课程，了解了各学科之间的关系，进一步加强了自己所学的知识，重新学习了自己先前没有学会的知识，不仅把知识融会贯通，而且丰富了大脑，同时在查找资料的过程中也了解了许多课外知识，开拓了视野，认识了将来机械设计的发展方向。同时完善提高了自己的设计水平，为以后走向工作岗位打下良好的基础。通过阅读大量的文献资料，对墙壁式旋臂起重机结构和工作原理等技术进行了深入的了解和研究，并对该种设备的国内外技术现状进行了综述。本次设计通过学习使用SolidWorks软件进行零件绘制，零件之间的组装和零件及装配图的三维绘制等，发现了SolidWorks软件在机械制造业所发挥的重要作用。它在绘制零件方便快捷，装配起来灵活自如，转化三维视图直截了当；它把零件以三维的形式展现在设计者的眼前，很形象的突出零件各个部分的结构，便于设计者发现零件的现实性，合理性和可用性，这样就减少了因为设计而带来的不合理经济损失。而且它的二次开发也做的非常好，像一些粗糙度、形位公差、公差等用起来非常的方便。参 考 文 献1 电动葫芦产品手册Z.河北真牛起重设备有限公司.2014.2 郑荣跃.结构力学M. 北京：科学出版社.2012.06.3 吴宗泽，罗胜国，高志，李威.机械设计课程设计手册. 第四版.北京：高等教育出版社.2012.4 刘鸿文.材料力学M. 第五版.北京：高等教育出版社.2011.5 濮良贵.纪名刚.机械设计M.第八版.北京：高等教育出版社.2006. 6 王守岗.刘云峰.壁式悬臂起重机.中国专利：200920303201.3. 2010-07-21.7 杨文柱.起重吊装简易计算M.北京：机械工业出版社.2007.8 张青.张瑞军.工程起重机结构与设计M.北京：化学工业出版社.2008.9 张质文等.起重机设计手册M.北京：中国铁道出版社.1997.10 陈锡栋，杨婕，赵晓栋，范细秋.有限元法的发展现状及应