基于许用应力和极限状态设计方法的通用桥式起重机结构CAD(1).pdf

基于许用应 力和极限状态设计方法的 通用桥式起重机结构 C A D 太原科技 大学机械 电子工程学院徐格宁李宏娟 摘要 目前 国产通用桥式起重机系列尚未采用参数化设计系统 既不能将设计人员从大量繁琐的重复 劳动中解放出来 也不能发挥出 C A D C A M的优势 为此 本文采用许用应力和极限状态设计法分别对通用桥 式起重机进行结构分析 建立优化数学模型 采用正交网格法进行参数优化 通过对优化结果的分析 得出 2 种设计方法的异同性 和优劣性 同时优化结果作 为二维参数绘 图 的输 入参数 驱动 参数绘 图软 件直接绘 图 开 发成功一套通用桥式起重机结构 C A D软件 实现设计绘 图的 自动化 关键词 许用应力法 极限状态法 通用桥式起重机 结构 计算机辅助设计 Abs t r a c t i Pa r a me t e r i z e d de s i g n s y s t e m h a s n o t y e t b e e n us e d i n g e n e r a l o v e r h e a d t r a v e l i n g c r a ne s e rie s d e s i gn S o i t c a n ne i t h e r r e l i e v e d e s i g ne r s f r o m n u me r o l l s r e pe a t e d wo r ks n o r pr o mo t e t h e a dv a nt a g e s o f CAD CAM Thi s pa pe r pe r f o r ms a n a l y s i s o f g e n e r a l o v e r h e a d t r a v e l i n g c r a n e s t r u c t u r e r e s p e c t i v e l y b y all o wa b l e s t r e s s me t h o d a n d l i mi t s t a t e me t h o d b u i l d s o p t i mi z a t i o n ma t he ma t i c s mo d e l s c o nd u c t s p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n b y o r t h o g o n a l l a t t i c e me t h o d c o nc l u de s d i f f e r e n c e s a n d s i mi l a r i t i e s a n d a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s b e t we e n t h e t wo me t h o d s t h r o u g h a n a l y z i n g o p t i mi z a t i o n r e s u l t s Me a n wh i l e a g e n e r a l o v e r h e a d t r a v e l i n g c r a n e C AD s o f t w a r e i s d e v e l o p e d b y u s i n g t h e o p t i mi z a t i o n r e s u l t s a s i n p u t p a r a me t e r s t o d ri v e p l o t t i n g s o f t ware t O c o mpl e t e p l o t t i ng r e ali z i n g a u t o ma t e d de s i g n d r a wi n g Ke ywor ds all o wa b l e s t r e s s me t ho d l i mi t s t a t e me t h o d g e n e r al o v e r h e a d t r a v e l i n g c r a n e s t r uc t u r e CAD 1 引言 2 通 用桥式起重机桥架结构 通用桥式起重机是使用最为广泛 的桥架 型起 重机 目前 国产通用桥式起重机系列 尚未采用 参数化设计 系统 既不能将设计人员从 大量 繁琐 的重复劳动中解放山来 也不能发挥 出 C A D C A M 的优势 为了发挥设计人员的创造性 减少设计 计算 制 图 制 表所需 的时间 缩 短 设计 周期 实现系列产 品的参数化 需要研究和开发参数化 C A D系统 借助计算 机完 成设计绘 图工作 结构 是起重机的主要 承载体 因此结构设计 的优 劣将 直接关系到产 品的质量 以及企业 的命运 而应用 推广计算机辅助设计技术 会达到事半功倍的 效果 通用桥式起重机桥架主要 由2根箱型主梁和 2 根箱型端梁连接组成 为安装运行机构和行人方 便 主梁腹板 外侧装有走 台 端 梁 中部分开 用 螺栓连接 以便于运输 桥架随着主梁和走 台的型式 不 同而不 同 中 轨 半偏轨和偏轨 中轨箱型梁桥架是将小车轨 道安装在主梁上翼缘板宽度 中心线上 梁 内设置 大 小横 向隔板 与上翼缘 板顶 紧 以支承 轨道 半偏轨箱型梁桥架是将小车轨道设置在主梁宽度 中心线至腹板之 间的上翼缘板上 以减小轮压作 用下对梁产生的偏心扭矩 并减小上翼缘板 和腹 板之间的局部压应力 从而改善梁 的受力 偏轨 设备在运行过 程中发生误 动作 与传统 的管路磷 化工艺和金 属零件 消洗工艺相 比较 节 能环保材 料和该工艺装备 均显现 了超常 的优势 不仅 提高 了工作效 率和安 全效率 而 且还具 有工 艺创新 环保达标 和优 良的性价 比 可在机械制造 和同类 一 7 2 一 环保领域中应用 作 者 蔡红专 地 址 西安市西京学 院机 电工程系 邮 编 7 1 0 1 2 3 起重运输机械 2 0 0 8 1 0 箱型梁桥架是将小车轨道置 于主腹板顶上 梁 内 可省去小 隔板 上翼缘板 宽度延 至主腹板外 侧 并设有三角加劲肋板 前 2种共 同特点是主梁为 窄形梁 粱高宽比约为 2 5 3左右 并设有走台 后一种桥架主梁是宽形梁 梁 高宽 比约为 1 2 1 6左右 均以上翼缘板或铺板兼作走台 省去 了 专门的走台材料 提高了桥架的承载能力 目前 生产最多的是中轨和偏轨箱型梁桥架 3 通用桥式起重机主梁结构分析 3 1 力学模型的建立 通用桥式起重机主梁承受垂直 水平载荷作 用 垂直载荷作用下的主梁结构按简支梁力学模 型分析计算 如图 1 水平载荷作用下的主梁结 构按反对称水平刚架力学模型分析计算 如图 2 图 1 垂直载荷作用的桥架 力学模型 a 固定载荷 b 移动载荷 文 图 2 水平载荷作用的桥架力学模 型 a 水平载荷 b 偏斜侧向载荷 3 2 载荷计算 在垂直载荷作用下 图 1 垂直载荷分为 固 定载荷 主梁均布载荷 F 含走台和栏杆等重 量 集中载荷 司机室重量 P 大车运行机构 起重运输机械 2 0 0 8 1 0 的重量 P 及端梁重量等 移动载荷主要为小车的 轮压 P 重量 均 由 G m g计算 得 出 小 车 的轮压 P由 下式计算 P P Q 1 式中P 起升载荷 P 小车重量 e 吊钩的偏心距 K 小车轨距 在水平载荷作用下 图 2 水平刚架分别受 惯性载荷 P F H及偏斜侧 向力 P 作用 计算式 尸 愕 2 式中m 小车质量 起升质量与吊具质量之和 的一半 大车主动车轮数 大车车轮总数 F 3 n 3 P P A 4 式中 P 起重机发生侧向 力的一侧端梁上 与有效轴距有关的相应车轮的静 轮压 之和 A 侧向力 系数 与跨 度 J 与有效轴距 B 之 比值有关 A 0 1 1 对于露天工作 的起重 机 还应考虑风 载荷 的 作用 另外 垂直载荷 和水 平载荷对 主梁截 面的 偏心作用而产生的扭转载荷 根据不 同的主梁截 面形式 扭转载荷的计算也不同 3 3设计方 法 根据最新修订的 起重机设计规范 采用许 用应力设计法和极限状态设计法 3 3 1 许用应力法 许用应力法是使外载荷在结构及连接接头中 产生的应力和变形 不超过结构及连接接头的承 载能力 强度和稳定性 的抗力 的设计方法 其 设计步骤为 1 计算各指定 载荷 并 以适 当的动力 系 一 7 数 咖 增大 2 根据载荷组合表进行组合 得出组合载 荷 F i 3 用组合载荷 F 计算构件的内力来确定合 成的载荷效应 S 4 根 据作 用 在构 件或 部 件上 的 载荷效 应 内力 计算 出应力 并 与由局部效应 内力 引起的应力 2 合成 得到组合设计应力 5 最后 将此组 合 设计 应力 与许用 应力 相比较 许用应力 是以规定的强度 尺 除以强度系数 y 而得到 在具有高度危险的场合 还要再除以高危险度系数 y 才能得到最后的许用 应力 当高危险度 系数 Y 1 时 安全系数 几就是 强度系数 而对于高度危险情况 安全系数 n 7 y 强度系数 列于表 1中 许用应力设 计法的典型流程图如图 3 图 3 许 用应力设计法 的典型流程图 3 3 2 极限状态法 生的应力 和变形 不超过结构及连接接头的极限 承载能力的设计方法 其设计步骤为 1 计算各指定 载荷 并 以适 当的动 力系 数 增大 并乘 以载荷组合 中该项载荷对应的分 项载荷系数 Y 2 根据载荷组合表进行组合 得出组 合载 荷 在具有高度危险的场合 需对组合载荷 乘以高危险度系数 Y 得出设计载荷 Y F j 3 由此设计载荷 7 F j 计算构件的内力来确 定设计载荷效应 S 4 根 据作 用在 构件 或部 件 上 的载荷 效应 内力 计算 出应力 r 厂 并与 由采用适 当的载荷 系数计算 出来的局 部效应 内力 引起 的其他应 力 合成 得到组合设计应力 5 将组合设计应力 与极限应力 l i m o 相 比 较 极限应力 l i mo 是 以规定的强度 R除以抗力系 数 y 而得到 分项载荷系数 列于表 1中 极限 状态设计法的典型流程图如图4 丽图 极限状态法是使外载荷在结构及连接接头中产 图4 极限状态设计法的典型流程图 表 1 系数 g f 和 y n 设计 方法 许 用应力 极限状态 载荷 组合 高危险度系数 强度系数 抗力系数 分项载荷系数 Yf A 1 4 8 1 1 6 1 2 2 1 28 1 3 4 1 41 1 48 1 55 1 6 3 1 7l 1 8 0 B 1 0 5 1 1 O 1 3 4 1 1 O 1 1 O 1 1 6 1 2 2 1 2 8 1 3 4 41 1 48 1 5 5 1 6 3 1 71 C 1 2 2 1 0 5 1 1 0 1 1 6 1 2 2 1 2 8 1 3 4 1 4l 1 4 8 1 5 5 1 6 3 3 4 主梁内力与应力计算 根据以上 2种设计方法 的基本原 理 计算结 构危险截面及危险点的应力 判断是否在允许范 围内 以下分别采用 2种设计方法在载荷组合 A 情况下对主梁结构进行 分析并作 比较 由于水平 载荷及扭转载荷对 主梁产生的弯矩及剪切力较小 在此予以忽略 4 主梁结构 的优化设计 4 1 优化方法的选择 采用正交网格 法 其与复合形法相 比 更擅 长在 目标函数 比较复杂 或没有明显表达式 或不 一 7 4 一 图 5 程序框图 起重运输机械 2 0 0 8 O 表 2 2种设计方法的计算比较 内力 危险截面或危险点 许用应力法 极限状态法 应力 固定载 荷位于跨中 8 P 2 M 8 P 毒 弯矩 L 6 1 M 2等 一 b 小 车 位于 跨中 小 车位 于跨端 肘P c 2 F P c C l MP c y 2 F P c C 固 定 载 荷 位 于 跨 端 Z P Gj 一 告 丁F q L P Gj 一 剪 力 小 车 位 于 跨 中 P 一 P 一 小车位于跨端 c 1 c 1 MP M Y 一 兰 主腹板上边缘 一 c r o 一 正应力 MP MP M Y 下翼缘外边缘 一 一 一一 1 5 F P F 1 5 F P F 剪应力 主腹板中点 一 h 占 6h一 许用值 l i m o r s Yf y 易综合情况下的优化设计 具有较高的收敛速度 并且克服了复合形法容易陷入局部最小点 依赖 初值等局限性 4 2 设计变量的选择 为了提高优化速度 变量既不 能太 多 避 免 冗余定义 和描述 变量也不能太少 避免优化定 义缺失完整性 在主梁结构设计 中 取 4个优 化 变量 下盖板厚度 0 主腹板厚度 1 主腹 板高度 2 下盖板宽度 3 截面其他尺寸如 上盖板厚度 副腹板厚度 副腹板 高度 上盖板 宽度可以根据这 4个变量计算得出 4 3目标 函数 的确 定 F m i n w W为主梁结构 的重量 按照结 构设计计算原理 只要结构所 承受 的载荷在允许 范围之内 设计均有效 但考虑到既要经济又要 可靠的目标 应该是结构越轻 即 越小越好 起重运输机械 2 0 0 8 f 1 0 4 4 约束条件的建立 根据许用应力 与极 限状态设计法原理 计算 出主梁危险截面危险点的实际应力值和许用应力 值 实际应力值与许用应力值 的差小于等于 0即 是约束条件 g i 一 0 5 主梁结构 C AD系统设计 5 1程序设计 程序框图见图5 根据 面向对象和模块化程序 设计的原则 将设计分为尺寸计算模块 结构分 析验算模块 优化设计模块 参数绘 图模块 具 体流程是 首先从用户输入 的基本设计参数数据 文件中读人数据 然后调用尺寸计算模块 和结构 分析验算模块 一方面将绘图时要用到 的尺寸计 算出 另一方 面要得 出优化的 目标 函数和约束条 件 它们都可通过数据文件输 出 再调用结构优 一 75 化设计模块 将优 化结果输 出 与基本输入参 数 共同作为参数绘图的输入参数 调用参数绘图模 块出图 5 2 从数据文件输入基本参数 用户可以根据 自己的需要 将基本参数输入数 据文件 如起重量 跨 度 起升高度 运行速度 工作级别 设计方法等 图6 5 3 输出目标函数和约束条件 实际程序运行过程 中 约束条件作为 中问过 程并不输 出 为 了比较 出许用应力法与极 限状 态 设计法的优劣 将优化过程 中的一组解 的约束 条 件部分强度计算值输出 C n 为实际应力值与允 许应力值 的差 图 7为采用许用应力设计法 的计 算值 图 8为采用极 限状态设计 法的计算值 目 标函数输出见图9 图 6 基本参数输入 图7 许用应力法计算值 5 4 优化结果的输出 程序 通过调用优化 设计模 块得 出优化 结果 优化结果和结构 的基本尺寸存放在同一个基本 尺 一 7 6 一 犍 躐 蠹 E 嚣劬 帮鹣 邀 0 一 7 1 8 5 3 6 2 2 g 1 7 9 9 5 7 7 6 9 2 一 4 9 9 2 6 4 5 4 g 3 一 6 8 2 5 8 6 9 2 g 4 1 g 7 8 1 1 7 E 0 图 8 极限应力法计算值 图 9目标 函数输 出 寸数据文件中 该 文件也是参数绘 图的基 本参数 输人文件 图 l 0 图 1 0 优化结果输 出 5 5 参数化绘图 以上准备工作 就绪后 即可调 用参 数绘 图模 块 将通用桥式起 重机 的二维工程 图快速 准确 的 绘出 实现真正的计算机辅助设计 6 结论 1 从表 2的反映载荷组合的计算公式 的对 比可 以看出 在极限状态法 中 等号左端 的各项 载荷增大了 倍 但不具有线性关 系 而等号右 起重运输机械 2 0 0 8 1 0 端的极限应力值 l i m 中 由于 7 ym 使得 l i m 相对于许用应力 一增大 ym Yf y n 了 倍 而在许用应力法中 等号左端的载荷 7m 不增大 而等号右端的许用应力值 一 一 yf yn 中 由于 y 相对于极限应力值 l i m o wI r r 减小了 倍 而数值上的比较只能通过大量 的计算实例显示其规律性 2 从表 3的优化设计结果数据对 比可 以看 出 由于许用应力法 和极 限状态法 的设计结果基 本相 同 从极 限状态法相对 于许用应力法 的相对 误差计算中 除 5 t 3 1 5 m跨度的 1台算例外 其余算例均显示基 于许用应力法 的优化设计结果 略为小于极限状态法 的优化设计结果 而相对误 差最大不超过 1 8 表明采用 2种方法设计均是 可行 的 其差异几乎可以忽略不计 表 3 2种设计方法最优设计结果和 目标函数比较 主 梁 优 化 截 面 相对于许用 额定起重量 跨度 主梁 自重 设计方法 盖板厚 腹板厚 腹板高 盖板宽 应力的相对 t m kg m m m m m m n 1 m 误差 5 1 0 5 许用应力 8 6 5 7 5 2 6 0 1 1 6 O 5 0 5 l 0 5 极限状 态 8 6 5 8 0 2 6 0 1 1 6 6 0 2 0 4 8 5 3 1 5 许用应力 6 6 l 4 l 0 5 5 0 6 2 4 8 5 4 5 3 1 5 极限状态 6 6 l 3 9 5 5 5 0 6 2 0 5 8 3 一 O 6 8 3 2 l O 5 许用应力 8 6 7 8 5 4 5 0 l 6 8 6 1 7 3 2 1 0 5 极限状态 8 6 7 9 5 4 6 0 1 7 1 2 8 6 1 5 8 3 2 2 5 5 许用应力 8 6 1 5 6 0 6 4 5 6 2 3 3 3 4 3 2 2 5 5 极限状 态 8 6 1 5 8 0 6 5 0 6 2 9 7 0 7 1 0 2 3 2 3 1 5 许 用应力 1 0 8 1 5 5 0 7 4 0 1 0 6 4 4 1 6 3 2 3 1 5 极限状态 1 0 8 1 5 5 0 7 5 0 1 0 6 9 8 0 8 0 5 1 l x l 0 5 许 用应力 1 2 1 0 l 0 2 5 5 0 0 3 l 6 7 5 7 1 0 0 l 0 5 极 限状态 1 2 1 O 1 0 5 5 5 0 0 3 2 2 2 7 4 1 7 4 1 0 0 3 1 5 许用应力 2 0 1 6 l 7 0 0 7 8 0 2 3 2 5 5 0 3 1 o 0 3 1 5 极 限状态 2 0 1 6 l 7 1 0 7 9 5 2 3 5 o 4 6 0 1 0 7 表 4 2种设计方法的约束条件比较 额定起 跨度 设 计 目标 函数 约 柬 条 牛 约束条件平 重量 t 方法 F rai n f 1 g 0 g 1 g 2 g 3 g 4 g 5 均值 5 l 0 5 许用应力 1 1 6 0 5 O 一 6 0 4 1 2 2 8 2 一1 2 8 O 5 2 9 6 1 8 8 2 4 4 8 0 5 1 0 5 极 限状态 l l 6 6 O 2 7 3 8 3 2 8 2 3 2 0 2 9 7 4 7 一l 1 7 1 2 8 4 5 5 4 5 2 5 3 1 5 许用应力 6 2 4 8 5 4 4 4 6 4 2 3 2 5 一 O 8 7 7 0 2 5 9 4 8 2 3 2 6 4 2 8 5 5 3 1 5 极 限状态 6 2 0 5 8 3 5 4 4 2 7 8 3 0 6 7 8 5 8 7 l 1 5 6 6 2 2 2 1 5 1 1 1 3 2 1 O 5 许用心力 1 6 8 6 1 7 5 7 0 1 2 2 7 5 0 5 6 5 6 2 9 0 6 7 9 3 l 一 3 9 4 2 3 2 l 0 5 极 限状态 1 7 l 2 8 6 6 8 8 3 2 8 1 1 2 6 7 8 6 一I 1 1 4 7 9 8 4 7 8 8 起重运输机械 2 0 0 8 1 0 一7 7 续表 4 额定起 跨度 设计 目标函数 约 束 条 件 约束条件平 重量 t m 方法 F m i n W g 0 g 1 g 2 g 3 g 4 g 5 均值 3 2 2 5 5 许用心力 6 2 3 3 3 4 5 2 3 8 2 2 6 0 1 4 4 3 5 9 9 O 1 2 1 8 4 4 3 7 8 8 3 2 2 5 5 极限状态 6 2 9 7 0 7 6 3 9 2 2 8 0 4 0 9 1 5 3 0 7 l 1 O 7 2 1 9 5 5 4 6 04 3 2 3 1 5 许用应力 1 0 6 4 4 1 6 5 0 3 6 2 2 7 1 0 1 3 5 4 3 9 2 9 6 1 7 6 9 3 9 6 9 3 2 3 1 5 极限状态 1 0 6 9 8 0 8 6 1 3 6 2 7 4 4 0 0 5 6 6 3 7 一l 1 3 5 3 1 8 0 6 4 7 8 0 1 o o l O 5 许用应力 3 1 6 7 5 7 5 0 4 6 2 2 6 9 0 5 2 3 6 8 9 8 3 4 3 一l 1 2 9 3 4 2 l 1 0 o l 0 5 极限状态 3 2 2 2 7 4 5 9 2 9 2 7 7 5 0 8 7 4 4 0 l 一1 0 3 6 1 1 9 2 4 1 2 4 1 0 0 3 1 5 许用应力 2 3 2 5 5 0 3 5 2 4 9 2 2 9 2 0 3 7 4 7 3 9 9 0 5 6 1 8 3 3 3 8 6 8 1 o o 3 1 5 极限状态 2 3 5 o 4 6 0 6 3 9 4 2 7 9 9 0 6 9 5 7 7 2 1 1 1 3 1 9 4 4 4 6 8 5 3 从表 4的数据对 比可以看 出 在相 同的 设计参数前提下 采用极 限状态法设计 的主梁重 量略大于许用应力法设计 的结果 同时约束条件 的平均绝对值大 于采用许用应 力法 的计算 结果 表明采用极限状态法的设计 富裕量大 设计较安 全 反之 若要约束条件达 到绝对值 最小 即将 约束条件用足而使 目标 函数达到最小 采用许用 应力法设计的截面尺寸要 比极 限状态法略小 表 明用许用应力法的设计较经济 4 开发成功一套通用桥式起 重机结构 C A D 软件 实现设计绘 图的 自动化 所设计 的结构更 科学 效率更高 5 本文方法不仅可以应用到通用桥式起重 机整体结构的设计 还可推广 到各种起重机 的结 构设计 中 参考文献 1 徐格宁主编 起重运输机金属结构设计 北京 机械工 业 出版社 1 9 9 7 2 徐克晋主编 金属结构 第 2版 北