龙门吊结构创新设计

东 北 石 油 大 学 课 程 设 计 课 程桁架结构创新设计 题 目龙门式起重机结构创新设计 学 院机械科学与工程学院 专业班级工程力学 14 1 班 学生姓名蒋婷 学生学号 140403240104 指导教师李治淼 2016 年 7 月 22 日 东北石油大学本科生课程设计 论文 目目 录录 第第 1 1 章章 概述概述 1 1 1 1 制作龙门吊的目的及意义 1 1 2 选题背景 1 第第 2 2 章章 制作要求制作要求 2 2 2 1 整体要求 2 2 2 模型要求 2 2 3 加载方式 3 2 4 失效评比 4 2 5 模型材料及工具 4 第第 3 3 章章 设计说明设计说明 5 5 3 1 桁架说明 5 3 2 结构说明 5 3 3 节点说明 6 第第 4 4 章章 龙门吊静力学计算龙门吊静力学计算 7 7 4 1 龙门吊静力分析力学模型 7 4 2 龙门吊内力计算 9 4 3 龙门吊应力计算 10 4 4 龙门吊位移计算 11 第第 5 5 章章 龙门吊稳定性计算龙门吊稳定性计算 1111 5 1 龙门吊稳定性分析模型 13 5 2 稳定性计算结果分析 13 第第 6 6 章章 总结总结 1414 东北石油大学本科生课程设计 论文 0 第 1 章 概述 1 1 制作龙门吊的目的及意义制作龙门吊的目的及意义 龙门吊主要用于室外的货场 料场货 散货的装卸作业 它的金属结构像 门形框架 承载主梁下安装两条支脚 可以直接在地面的轨道上行走 主梁两 端可以具有外伸悬臂梁 它的种类有很多 按门框结构形式划分 可分为门式 起重机和悬臂门式起重机 其中门式起重机具有场地利用率高 作业范围大 适应面广 通用性强等特点 在港口货场得到广泛使用 确保它的强度 刚度 稳定性等 是能够安全应用于实际生活中的前提 1 2 选题背景选题背景 龙门式起重机 gantry crane 是桥式起重机的一种变形 俗称龙门吊 龙 门起重机 龙门式起重机是门式起重机的象形说法 主要用于室外的货场 料 场货 散货的装卸作业 整体结构像门形框架 承载主梁下安装两条支脚 可 以直接在地面的轨道上行走 主梁两端可以具有外伸悬臂梁 龙门式起重机具 有场地利用率高 作业范围大 适应面广 通用性强等特点 在港口货场得到 广泛使用 如图 1 1 所示的桁架梁式龙门起重机是由角钢或工字钢焊接而成的 优点 是造价低 自重轻 抗风性好 但是由于焊接点多和桁架自身的缺陷 桁架梁 也具有挠度大 刚度小 可靠性相对较低 需要频繁检测焊点等缺点 适用于 对安全要求较低 起重量较小的场地 图图 1 11 1 单梁桁架门式起重机单梁桁架门式起重机 东北石油大学本科生课程设计 论文 1 第 2 章 制作要求 2 1 整体要求整体要求 使用竹条和胶水制作一龙门式起重机结构 下部具有至少长 600mm 宽 350mm 的立面空间 将在顶部梁的中央悬挂加载配重 要求结构在此工况下不 发生破坏 模型采用竹条材料制作 模型制作自行安排时间地点来进行 材料与工具 自备 2 2 模型要求模型要求 模型在重力作用下与加载平面接触 此时模型的正面投影应在如图 2 1 所 示阴影范围之外 在加载平面上有一 600mm 350mm 的矩形区域 该区域不能 有任何构件 该矩形区域紧贴加载平面 之间没有缝隙 矩形区域下部不能有 拉条等结构构件 图图 2 12 1 限定范围及加载示意图限定范围及加载示意图 我们将准备一个的外轮廓投影大小刚好是 600mm 350mm 的检测用长方体 长方体将在模型验收时推入该区域 如果无法推入则视为模型不符合要求 东北石油大学本科生课程设计 论文 2 图图 2 22 2 下部净空间及挠度检查示意图下部净空间及挠度检查示意图 2 3 加载方式加载方式 模型直接放置在加载平面上 加载平面是水平的 模型与加载平面相互独 立 不能粘接 加载平面上将放置一张 A0 图纸 以保证结构与加载平面之间 有一个统一的摩擦系数 模型加载采用悬挂重物的方式进行加载 力 F 的方向竖直向下 如图 2 1 所示 加载位置是正面投影矩形限制区域的中线位置 模型的高度 长度 跨 度以及具体的结构形式均不做任何限制 只要保证如图 2 2 所示符合挠度检查 要求即可 可以出现如图 2 1 所示的不对称情况 变截面 变高度 变宽度 梁式结构 张拉结构 桁架结构 预应力结构等等都是允许的 模型必须保证挂钩能顺利挂在模型加载位置 需根据挂钩对加载点进行设 计 保证挂钩顺利悬挂 结构构件不能妨碍悬挂挂钩和配重 如果出现不能实 现加载 无法记录成绩的问题 责任自负 所使用挂钩如图 2 3 所示的膨胀螺 栓吊钩 图图 2 32 3 加载挂钩加载挂钩 东北石油大学本科生课程设计 论文 3 2 4 失效评比失效评比 模型在进行加载时 模型的失效分为部分失效和整体失效 出现下列任一 情形则判定为模型整体失效 不能继续加载 成绩记为零分 1 在加载阶段 整体结构出现垮塌或侧倒 无法完成加载 2 出现违反规定的其它状况 具体由评委讨论决定 出现下列情形判定为部分失效 1 整体没有破坏 但模型出现明显的变形 构件发生过大的挠度 导 致挂上重物后无法推入长方体的情况 2 出现违反规定的其它状况 具体由评委讨论决定 2 5 模型材料及工具模型材料及工具 1 竹材 用于制作结构构件 自行购买 竹材规格见表 2 1 2 502 胶水 用于模型结构件之间的连接 自备 502 胶水 3 制作工具 自行携带制作工具 可以对材料进行任意机械加工 切 削 剪 磨等均可 但不能改变材料的力学性能 表表 2 12 1 竹材规格竹材规格 序号竹材规格 1900 3 2mm 2900 3 3mm 3900 3 6mm 4900 1 6mm 5900 2 2mm 注 竹材力学性能参考值弹模量 1 0 104MPa 抗拉强度 60MPa 东北石油大学本科生课程设计 论文 4 第 3 章 设计说明 3 1 桁架说明桁架说明 本次桁架设计为龙门吊结构 整个模型包括横梁 及其中间组成部分 支座两大部分 主要来进行整个横梁及支座的设计与制作 并通过 502 胶水将 各结构相互连接 整体采用竹木条材料制作 3 2 结构说明结构说明 龙门起重机结构不仅承担竖向静荷载 而且需承受一定量的弯矩 在重物 作用的情况下具有足够的刚度 且不发生破坏 对于结构形式及造型而言 只 要满足相关控制点的要求 对塔架体系以及外形的选择不限 这为设计方案的 选择提供了较大的余地 在结构选型过程中分别从结构体系及结构外形两方面 进行了分析 在结构体系的选取方面 由于拱形结构能将力传递到两端 能承 受较大的弯矩作用 而不至于折断 且传力最为直接 高效 非常适用于拱形 梁结构 在结构外形的选择方面 考虑到起重机要承受较大的向下压应力挠度不易 过大 所以横梁应采用中间高 两端低的模型 这样 既可以省材料 又能保证挠度不大 而拱形是满足此 要求 并且有很大的抗压能力 而底座承受更大的压 应力 所以揉度不易过大 经过长时间的实验 最终 采用了如图 3 1 此种结构的底座 此结构有较大的硬 度与刚度 可以完全承受所要求的重量 而梁与底座 的接触点采用面接触 因挠度不大 所以接触点只是 简单地连接即可 由于力分散到左右两个支座 所以 两边的弯曲会很大 因此将两个支座设计为由多个三 角形构成的形式 三角形的结构具有稳定性不易变形 抗压 抗弯的能力均较强 因此可以很好的分担梁的 受力 给梁以支撑的作用 截面采取 L 型结构 让 结构能够实现好地连接 防止开胶 图图 3 13 1 支座模型图支座模型图 1 X Y Z JUL 13 2016 09 25 55 ELEMENTS U ROT NFOR NMOM RFOR RMOM 东北石油大学本科生课程设计 论文 5 3 3 节点说明节点说明 起重机结构中包含较多节点 竹子构件在这些节点处的连接均采用胶水粘 结 为贴合连接节点 这里列出了三种典型的节点连接构造形式 如图 3 2 所 示 包括粘合节点 节点 A 横梁顶部与塔架之间的节点 节点 B 塔架 与横梁中部之间的节点 节点 C 塔架的主干与主干之间还连有细杆 以确 保结构的稳定 A 节点使用搭接和粘接的组合方式 可以使起加固作用的连接杆承受一定 的拉力而不会断开 B 节点 保证十分稳固 不仅节省材料 也满足要求 C 节点的设计采用最简单的连接方式 用于此处不仅可以提高强度 还能 提高其稳定性 A 节点粘接方式 B 节点粘接方式 C 节点粘接方式 图图 3 23 2 各节点粘接方式各节点粘接方式 东北石油大学本科生课程设计 论文 6 第 4 章 龙门吊静力学计算 4 1 龙门吊静力分析力学模型龙门吊静力分析力学模型 本次设计的桁架结构总长 610mm 总高 380mm 运用学过的材料力学和 结构力学 采用有限元软件 ANSYS 进行力学分析与计算 在 ANSYS 中 采用 Beam188 梁单元离散 因为结构每一段在其中都被打 断 所以在 mesh 的时候每一段只划分了两段 如图 4 1 所示 图图 4 14 1 整体模型图整体模型图 这个结构总共有 324 个单元 300 个节点 在支座两端施加全约束 在梁 上最中间处 即截面为 6 6mm 中间处施加 FY 100N 的力 在保证满足承载的情况下 我们希望它的质量尽可能的小 因此我们对我 们使用的材料以及主要截面做出相应的统计 如表 4 1 所示 其中四种主要截 面分别如图 4 2 4 3 4 4 所示 表表 4 14 1 竹条用料统计表竹条用料统计表 竹条横截面积 mm2桁架的体积 mm3 竹条的根数 3 6 2 1122002 6 15719 354 2 217082 63 3 27900 403 1 X Y Z JUL 16 2016 09 19 27 ELEMENTS 东北石油大学本科生课程设计 论文 7 图图 4 24 2 截面截面 1 1 图图 4 34 3 截面截面 2 2 图图 4 44 4 截面截面 3 3 图图 4 54 5 截面截面 4 4 东北石油大学本科生课程设计 论文 8 4 2 龙门吊内力计算龙门吊内力计算 通过轴力图与弯矩图来分析局部受力情况 从而简化结构 达到最佳状态 据图 4 6 可知弯矩最大处发生在最中间两根杆处 原因是中间承重杆所受力向 两边传递 导致边上两根杆受力最大 1 X Y Z 277 283 231 541 185 799 140 057 94 3154 48 5735 2 83166 42 9102 88 6521 134 394 JUL 16 2016 09 31 30 LINE STRESS STEP 1 SUB 1 TIME 1 MYI MYJ MIN 277 283 ELEM 99 MAX 134 394 ELEM 307 图图 4 64 6 弯矩图弯矩图 根据图 4 7 分析得知 梁上两根杆一边受压 一边受拉 轴力最大处发生 在这两根杆的中间处 1 X Y Z 289 914 241 701 193 489 145 277 97 0646 48 8524 640222 47 572 95 7842 143 996 JUL 16 2016 10 23 26 LINE STRESS STEP 1 SUB 1 TIME 1 FNI FNJ MIN 289 914 ELEM 305 MAX 143 996 ELEM 61 图图 4 74 7 轴力图轴力图 东北石油大学本科生课程设计 论文 9 4 3 龙门吊应力计算龙门吊应力计算 竹条的强度是衡量结构能否承受 100N 的力的关键因素之一 需要进行应 力计算 如图 4 8 是该结构的应力分析图 图图 4 84 8 X X 轴应力图轴应力图 如图 4 9 所示 为第三强度理论应力分析结果 最大应力为 61 28MPa 图图 4 94 9 等效应力等效应力 1 MN MX X Y Z 49 1746 36 9071 24 6396 12 3721 104652 12 1628 24 4303 36 6978 48 9653 61 2328 JUL 16 2016 09 14 02 NODAL SOLUTION STEP 1 SUB 1 TIME 1 SX AVG RSYS 0 DMX 5 24284 SMN 49 1746 SMX 61 2328 1 MN MX X Y Z 0 6 80889 13 6178 20 4267 27 2355 34 0444 40 8533 47 6622 54 4711 61 28 JUL 16 2016 23 09 25 NODAL SOLUTION STEP 1 SUB 1 TIME 1 SEQV AVG DMX 5 24284 SMX 61 28 东北石油大学本科生课程设计 论文 10 4 4 龙门吊位移计算龙门吊位移计算 所设计符合应力条件之外 X Y 方向的位移也不能超过一定值 图 4 10 为 X 方向的位移图 如图所示 X 方向的最大位移为 1 173mm 图图 4 104 10 X X 方向位移图方向位移图 如图 4 11 所示 为该结构 Y 方向的位移图 在 Y 方向的最大位移为 4 65mm 图图 4 114 11 Y Y 方向位移图方向位移图 1 MN MX X Y Z 1 10557 852415 599257 3461 092942 160215 413373 66653 919688 1 17285 JUL 16 2016 23 19 50 NODAL SOLUTION STEP 1 SUB 1 TIME 1 UX AVG RSYS 0 DMX 5 24284 SMN 1 10557 SMX 1 17285 1 MN MX X Y Z 4 65373 4 13665 3 61956 3 10248 2 5854 2 06832 1 55123 1 03415 517069 132E 04 JUL 16 2016 09 06 47 NODAL SOLUTION STEP 1 SUB 1 TIME 1 UY AVG RSYS 0 DMX 5 24284 SMN 4 65373 SMX 132E 04 东北石油大学本科生课程设计 论文 11 如图 4 12 所示 为该结构的总位移图 图图 4 124 12 总位移图总位移图 如图 4 13 所示 为局部放大的最大位移图 图图 4 134 13 总位移局部放大图总位移局部放大图 据图可见 该结构的变形量最大达到 5 24mm 其中最大变形处发生在中间 承重杆附近 1 MN MX X Y Z 0 582538 1 16508 1 74761 2 33015 2 91269 3 49523 4 07776 4 6603 5 24284 JUL 16 2016 23 20 11 NODAL SOLUTION STEP 1 SUB 1 TIME 1 USUM AVG RSYS 0 DMX 5 24284 SMX 5 24284 1 MX 0 582538 1 16508 1 74761 2 33015 2 91269 3 49523 4 07776 4 6603 5 24284 JUL 16 2016 23 34 42 NODAL SOLUTION STEP 1 SUB 1 TIME 1 USUM AVG RSYS 0 DMX 5 24284 SMX 5 24284 东北石油大学本科生课程设计 论文 12 第 5 章 龙门吊稳定性计算 5 1 龙门吊稳定性分析模型龙门吊稳定性分析模型 稳定性分析也是判断结构能否承载成功的因素之一 特征值屈曲分析施加 的载荷为 100N 支座两端施加的全约束 特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度 通过特征值 屈曲分析我们可以获得极限载荷 能够对我们做的结构有一个更清楚的分析 5 2 稳定性计算结果分析稳定性计算结果分析 为了使结构能够保证不失稳 我们做了特征值屈曲 结果如表 5 1 如下 表表 5 15 1 图图 5 15 1 屈曲失稳图屈曲失稳图 SETTIME FREQLOAD STEPSUBSTEP CUMULATIV E 21 0 5814512121 221 337012222 231 554312323 241 7720124