复杂钢结构计算书_图文

1、飞行表演塔计算说明书目录一、运动学、动力学分析二、销轴及螺栓等强度计算三、结构件强度计算四、立柱强度及刚度计算五、回转支承强度计算六、冲击计算七、基础校核八、焊接强度计算九、液压系统计算十、结论一、运动学、动力学分析1.1 设计参数参照现有同类设备和用户的需要,确定以下设计参数:座舱数:12个承载人数:24人最大回转直径:D=16.5米总高度:H=22米总功率:P=31KW回转体转速:n=7 r/min最大提升速度:V=0.16米/秒占地面积:280平方米使用寿命:8年1.2传动系统计算回转支承型号:011,45,1800,Z=197,M=10小齿轮:M=10,Z1=26摆线针轮减速机:XLD

2、11-7-7.5,电机7.5KW,n电机=1460 r/min传动比: i摆线=17,输出轴使用转矩:M摆线=9550×P/n=9550×7.5/(1460/17 =834(N.m 传动比: i=Z/Z1×i摆线=197/26×17=128.8回转体转速: n= n电机/i=1460/128.8=11.3 r/min最终调至7r/min。对回转体的驱动矩:M=M摆线×Z/Z1=834×197/26=6319(N.m1.3动力学计算回转体的角速度: =2n/60=2X3.14X7/60=0.7327(rad/s 图1座舱及人的受力分析见

3、1由F=0 得:tg(=F/mgF=m2×R= m2(r+L×sin则:tg(=m2×(r+L×sin/(mg=2×(r+L×sin/gg tg(= 2×(r+L×sin9.8×tg(=0.73272×(5.570+4.30 ×sin解上述方程:=21.5°由于人和座舱的质量:m人座=2×70+78.6=218.6(kg 人和座舱的离心力:F人座=m人座g tg(=218.6×9.8×tg(21.5°=843(N 坐舱及人对吊杆的拉力:

4、T=m人座g/cos(=218.6×9.8/ cos(21.5°=2302(N受力情况见图2所示 吊杆离心力:F吊杆=m吊杆2×R=62×0.73272×(5.57+4.3/2×sin(21.5°= 211 (N转乘架部件质量:m转乘架=1316(kg回转体部件质量:m回转体=2997(kg滑轮部件:m滑轮=1514(kg立柱部件:m立柱=11438(kg风伞部件:m风伞=149(kg吊杆:m吊杆=62(kg,共12件油缸座:m油缸座=58.7(kg减震器:m减震器=50(kg 共12件液压站:m液压站=826(kg油缸:m

5、油缸=936(kg坐舱部件:m坐舱部件=78.6(kg 12件基础:m基础=90946(kg最大提升速度V=0.16m/s设3秒钟从静止到达最大提升速度,则加速度为a=V/t=0.16/3=0.05(m/s2受力分析见图3R=5.57+4.3×sin(21.5°=7.146(m单坐舱内两人惯性离心力:f=m2×R=2×70×0.73272×7.146=537(N12人偏载离心力产生的倾翻合力:F=2f×cos15°+f×cos45°+f×cos75°=2×537co

6、s15°+cos45°+cos75°=2074(N 惯性离心力所产生的倾翻力矩计算:当提升至最高度时在筒1下端:M1=2074×13.82=28662(N.m在筒2下端:M1=2074×9.80=20325(N.m乘客偏载时其重力产生的倾翻力矩M2=2×(mgRcos15°+ mgRcos45°+ mgRcos75° =2×mgR(cos15°+ cos45°+ cos75°=2×140×9.8×7.146×1.93=3788

7、0(N.m以此作为基础设计的依据。风力载荷按下式计算:F=0.5PACkV2上式中:P为空气密度,P=0.1228kg·S2/m4K:风向影响系数,取K=1.22A:迎风面积V:风速8级风时,V=15m/s12级风时V=30m/s迎风面积计算:立柱部分面积:A1=0.98×2+15×1.4+4×2=31(m2三脚架部分面积:A2=2×(0.48×cos15°+0.48×cos45°+0.48×cos75° =2×0.48(cos15°+ cos45°+ c

8、os75°=1.84(m2吊臂部分的面积:A3=12×4.67×0.10=5.6(m2座舱部分面积:A4=12×1.6×0.8=15(m2风伞部分面积:A5=3.14×1.22/2=2.26(m2总面积:A=A1+A2+ A3+ A4+ A5=31+1.84+5.6+15+2.26=55.7(m2八级风的推力:F8=0.5PACkV2=0.5×0.1228×55.7×1.29×1.22×152=1211(kg12级风推力:F12=0.5PACkV2=0.5×0.1228

9、15;55.7×1.29×1.22×152=4844(kg8级风的倾翻力矩在筒体1的下端:M8=1211×9.8×20/2=118678(N.m12级风的倾翻力矩M12=4844×9.8×20/2=474712(N.mM1+ M2+ M8=28662+37880+118678=185220(N.m< M12所以就依据M12进行基础设计。二、销轴及螺栓等强度计算2.1空载时+12级风载这时设备不营业,只需校核立柱抗弯强度、地脚螺栓强度。风伞部分的迎风面积A风伞=3.14×1.76792/2+1×0.3

10、35+0.774×0.2=5.40(m2作用在风伞部分上的风力F风伞=0.5PA风伞CkV2=0.5×0.1228×5.40×1.29×1.22×302=469(kgf立柱4的迎风面积:A立柱4=1×2=2(m2作用在立柱4上的风力F立柱4=0.5PA立柱4CkV2=0.5×0.1228×2×1.29×1.22×1.22×302=174(kgf作用在立柱4下端的力矩:M=(F风伞×2+F立柱4×0.5×9.8=469×2+17

11、4×0.5=1025×9.8=10045(N.m 抗弯模量:W=(D4-d4/(32D=3.14×(24-1.9804/32/2=0.0309(m3应力:=G/A+M/W=(m风伞+M立柱4/A+M/W=9.8×(149+781/(1/4×3.14(22-1.9802+10045/0.0309=0.46(MPa设动载系数k为1.5,则安全系数材料为Q235A,b=400MPa立柱4 下端安全系数:n=b/K=400/0.46/1.5=579>6安全。筒体2和3的迎风面积:A筒体23=1.4×15=21(m2作用在筒体2和3上的风

12、力F筒体23=0.5PA筒体23CkV2=0.5×0.1228×21×1.29×1.22×302=1826(kgf作用在筒体2下端的力矩:M=(F风伞×17+F筒体4×15.5+ F筒体23×7.5×9.8=(469×17+174×15.5+1826×7.5×9.8=238777(N.m抗弯模量: W=(D4-d4/(32D=3.14×(1.44-1.384/32/1.4=0.015(m3应为: =G/A+M/W=(m风伞+m简体4+m简体32+m其它g/

13、A+M/W=(149+781+2808.74+2875.36+38957×9.8/(1/4×3.14×(1.42-1.382+238777/0.015 =26.2(MPa材料为Q235A, b=400MPa设动载系数k为1.5筒体2下端安全系数:n=b/k=400/26.2 /1.5=10.2>4安全。筒体1的迎风面积:A筒体1=2×4=8(m2作用在筒体1上的风力F筒体1=0.5PA筒体1CkV2=0.5×0.1228×8×1.29×1.22×30×2=695(kgf作用在立柱1下端的力

14、矩:M=(F风伞×21+ F筒体4×19.5+F筒体23×11.5+ F筒体1×2×9.8=(469×21+174×19.5+1826×11.5+695×2×9.8=349183(N.m抗弯模量:W=(D4-d4/(32D=3.14(24-1.9764/32/2=0.037(m3面积:A=1/4×3.14×(22-1.9762=0.0749(m2应力:=G/A+M/W=g(m立柱+m 风伞+m咸震器+m其它/A+M/W=9.8×(11438+149+200+3895

15、7/0.0749+349183/0.037=16.1(MPa设动载系数k为1.5,则安全系数材料为Q235A,b=400MPa筒体2下端安全系数:n=b/k=400/16.1/1.5=16.6>4 安全。见图4 螺栓M36,性能等级5.6L1=244L2=478L3=694L4=884L5=1039L6=1155L7=1126L8=1250螺栓所受最大力:F D=M×·L ma×/L i2=349183·1.25/2(0.2442+0.4782+0.6942+0.8842+1.0932+1.1552+1.2262+1.252=30542(N=1.3

16、F D/A=1.3×305402/(1/4×3.14×0.0362=39(MPa地脚螺栓为5.6级,其b=500(MPa动载系数k取1.5,则安全系数:n=b/k=500/39/1.5=8.5>6安全。2.2 偏载+15m/s 风载时风伞部分的迎风面积A风伞=3.14×1.76792/2+1×0.335+0.774×0.2=5.40(m2作用在风伞部分上的风力F风伞=0.5PA风伞CkV2=0.5×0.1228×5.40×1.29×1.22×152 =117(kgf立柱4的迎风面

17、积:A立柱4=1×2=2(m2作用在立柱4上的风力F立柱4=0.5PA立柱4CkV2=0.5×0.1228×2×1.29×1.22×152 =43(kgf作用在立柱4下端的力矩:M=(F风伞×2+F立柱4×0.5×9.8=(117×2+43×0.5×9.8=2503(N.m抗弯模量:W=(D4-d4/(32D=3.14×(24-1.9804/32/2=0.0309(m3应力: =G/A+M/W=(m风伞+m立柱4/A+M/W=9.8×(149+781/(1

18、/4×3.14(22-1.9802+2503/0.0309=0.23(MPa设动载系数k为1.5,则安全系数材料为Q235A,b=400MPa立柱下端安全系数:n=b/k=400/0.23/1.5=1159>4安全。筒体2和3的迎风面积:A筒体23=1.4×15=21(m2作用在筒体2和3上的风力F筒体23=0.5PA筒体23CkV2=0.5×0.1228×21×1.29×1.22×152 =456(kgf作用在筒体2下端的力矩:M=(F风伞×17+F筒体4×15.5+F筒体23×7.5&

19、#215;9.8=(117×17+43×15.5+456×7.5×9.8=59540(N.m偏载时人的离心力所产生的力矩M1=2074×9.80=20325(N.m偏载时人的重力所产生的力矩M2=37880(N.m(上面已求得,见第5页抗弯模量:W=(D4-d4/(32D=3.14×(1.44-1.384/32/1.4 =0.015(m3M总=M+M1+M2=59540+20325+37880=117745(N.m筒体2下端应力:=G/A+M总/W=(m风伞+m筒体4+m筒体23+m外g/A+M总/W=(149+781+5683+38

20、957×9.8/(1/4×3.14×(1.42-1.382+ 117745 /0.015=18.1(MPa设动载系数k为1.5材料为Q235A,b=400MPa筒体2下端安全系数:n=b/k=400/18.1/1.5=14.7>4安全。筒体1的迎风面积:A筒体1=2×4=8(m2作用在筒体1上的风力F筒体1=0.5PA筒体1CkV2=0.5×0.1228×8×1.29×1.22×152=174(kgf8级风作用在立柱1下端的力矩:M=(F风伞×21+F筒体4×19.5+F筒体23

21、×11.5+F筒体1×2×9.8=(469×21+174×19.5+1826×11.5+174×2×9.8=339872(N.m抗弯模量:W=(D4-d4/(32D=3.14×(24-1.9764/32/2=0.037(m3偏载时人的离心力所产生的力矩M1=2074(N×13.82(m=28662(N.m偏载时人的重力所产生的力矩M2=37880(N.m (上面已求得,见第5页M总=M+M1+M2=339872+28662+37880=406414(N面积:A=1/4×3.14

22、5;(22-1.9762=0.0749(m2=G/A+M总/W=(m总-m基础-m液压站g/A+M总/W=(112068-90946-826×9.8/(1/4×3.14×(22-1.9762+ 406414/0.037 =13.6(MPa设动载系数k为1.5材料为Q235A, b=400MPa筒体1下端安全系数:n=b/k=400/13.6/1.5=19.6>4安全。受力简图见图5 人和座舱的离心力F人座=843(N单个座舱部分面积:A座舱=1.6×0.8=1.28(m28级风对其的施加的风力:F风=0.5PA座舱CkV2=0.5×0.1

23、228×1.28×1.29×1.22×152=27.8(kgf座舱和人的重力:m=2×70+78.6=218.6(kgf合力F=(F风+F人座2+(mg21/2=(27.8×9.8+8432+(218.6×9.821/2=2415(N座舱及人对吊杆的拉力:T人座舱=F=2415(N连接销轴(KT24-03-04所受力F pin=F/2=2415/2=1207.5(N动载系数k=1.5则安全系数:n=0/k=300/1.2/1.5=167>6安全。 T=(F人舱+F风+F吊杆2+(m人舱g+m吊杆g21/2连接销所受剪力

24、计算:已知: d=40mm=T/(1/4d2=3053/(1/4×0.0402=2.43(MPa45钢调质, 0=300(MPa动载系数k取1.5,则安全系数n=0/k=300/2.43/1.5=82>6安全受力分析见图7所示: 图7M=F×0.730-mg×1.3-F三角架×0.48-T×3.783=0F三脚架=86×0.73272×3.4=157(NF=(mg×1.3+F三脚架×0.48+T×3.783/0.730=(86×9.8×1.3+157×0.48

25、+3053×3.783/0.730=17425(N 三脚架底端支力F支的计算,通过矢量法求出,见图8三角形支图8F 支=16344(N,将其分解得:F 支×=15944(NF 支y=3594(N上面连接螺栓强度计算:单个螺栓所受的剪力:F B=F/3=17425/3=5808(N剪应力:=F B/A=5808/(1/4×3.14×0.0202=18.5(MPa螺栓为8.8级,其名义剪应力为: 0=400(MPa动载系数k取1.5,则安全系数N=0/k=400/18.5/1.5=14.4>6安全下面连接螺栓强度计算:垂直分力F支y=3594(N,是压

26、在副回转体上的,其水平分力F支×=15944(N,是作用在3个螺栓上,因此,只计算剪切强度就行了。单个螺栓所受的剪力:F B= F支×/3=15944/3=5315(N剪应力=F B/A=5315/(1/4×3.14×0.0202=16.9(MPa螺栓为8.8级,其名义剪应为:0=400(MPa动载系数k取1.5,则安全系数n=0/k=400/16.9/1.5=15.8>6安全矩管:60×60×3mmA=0.06×0.06-0.054×0.054=6.84×10-4(m2b=400(MPa上=F/A

27、=17425/(6.84×10-4=25.5(MPa下=F支/A=16344/(6.84×10-4=23.9(MPa动载系数k=1.5则安全系数n=b/ma×/k=400/25.5/1.5=10.5>6安全。座舱部分重量:12×78.6kg=943.2kg人重:12×70=840kg吊杆重:62×12=744kg转乘架重:1316kg回转体重:2997kg以上几样加起来共重:m=943.2kg+840kg+744kg+1316kg+2997kg=6840.2kg钢丝所受的总力大小计算:T总=m g/cos(7°57=6

28、840.2×9.8/ cos(7°57=67684(N单根钢丝绳受力:T=T总/8=67684/8=8460(N即W1=8460 (NGB/T8918-1996第2组6×19(a类,直径为d=12 的钢丝绳的最小破断拉力为: R=95.8KN钢丝绳的静载荷安全系数:n1=R/W1=95.8×1000/8460=11.310提升加速度:S=0.05m/s2加速度的载荷:W2=S×W1/g=0.05×8460/9.8=43(N钢丝绳的弹性系数:E=200×109(N/m2钢丝绳的面积: A=1/4×3.14×

29、122=113(mm2钢丝绳的直径:d=12mm槽轮直径: D=480mm弯曲所产生的载荷:W3=E×A×d/D=2×113×12/480=5.7(N总载荷的安全系数:n2=R/(W1+W2+W3=95.8×1000/(8460+43+5.7=11.35按GB8408-2000标准,钢丝绳安全。M36螺纹底径为31.67mm,有效段面积为A=1/4×3.14×31.672=7.87×10-4(m2材料按45调质,b=600(MPa=W1/A=8460/(7.87×10-4=10.7(MPa动载系数按k=1

30、.5安全系数:n=b/k=600/10.7/1.5=37.4>6安全受力情况见图9 滑轮轴d=60mmA=1/4×3.14×d2=1/4×3.14×0.0602=2.826×10-3(m2 45#钢调质, b=600MPa, 0=300MPa=T/A=8460/(2.826×10-3=3.0(MPa动载系数k取1.5安全系数:n=0/k=300/3.0/1.5=66.7>6安全受力情况见图10 滑轮轴d=60mmA=1/4×3.14×d2=1/4×3.14×0.0602=2.826&

31、#215;10-3(m245#钢调质, b=600MPa, 0=300MPa=T/A=8460/(2.826×10-3=3.0(MPa动载系数k取1.5安全系数:n=0/k=300/3.0/1.5=66.7>6安全。液压缸重:G液压缸=936kgf=9172(N油缸销轴受力计算F=32T- G动滑轮以下-G油缸=32×8460-(263+171+42+7.7+20×9.8-936×9.8 =256610(N油缸销轴直径d=90mmA=1/4×3.14×0.0902=6.34×10-3(m2应力:=F/(2A=25661

32、0/(6.34×10-3/2=20.2(MPa45#钢调质,b=600MPa,0=300MPa动载系数k取1.5安全系数:n=0/k=300/20.2/1.5=9.9>6安全。A=3.14×0.110×110/3×0.0032/2=0.02(m2应力:=(F油缸销轴+G油缸/A=(256610+936×9.8/0.02 =13.3MPaQ235的b=400(MPa设动载系数:k=1.5,则安全系数:n=b/k=400/13.3/1.5=20.1>6强度足够,安全。 图11滑轮轴d=30mA=1/4×3.14×d2

33、=1/4×3.14×0.0302=7.065×10-4(m2 45#钢调质, b=600MPa, 0=300MPa=T/A=8460/(7.065×10-4=12.0(MPa动载系数k取1.5安全系数:n=0/k=300/12.0/1.5=16.7>6安全。2.3满载+15m/s 风载风伞部分的迎风面积A风伞=3.14×1.76792/2+1×0.335+0.774×0.2=5.40(m2作用在风伞部分上的风力F风伞=0.5PA风伞CkV2=0.5×0.1228×5.40×1.29

34、5;1.22×152 =17(kgf立柱4迎风面积:A立柱4=1×2=2(m2作用在立柱4上的风力F立柱4=0.5PA立柱4kV2=0.5×0.1228×2×1.29×1.22×152 =43(kgf作用在立柱下端的力矩:M=(F风伞×2+F立柱4×0.5×9.8=(117×2+43×0.5×9.8=2503(N.m抗弯模量:W=(D4-4/(32D=3.14×(24-1.9804/32/2=0.0309(m3应力:=G/A+M/W=(m风伞+m立柱4g/

35、A+M/W=9.8×(149+781/(1/4×3.14(22-1.9802+2503/0.0309=0.23设动载系数k为1.5材料为Q235A,b=400MPa立柱4下端安全系数:n=b/k=400/0.23/1.5=1159>4安全。筒体2和3的迎风面积:A筒体23=1.4×15=21(m2作用在筒体2和3上的风力A筒体23=0.5PA筒体23CkV2=0.5×0.1228×21×1.29×1.22×152=456(kgf作用在筒体2下端的力矩:M=(F风伞×17+F筒体4×15.5

36、+F筒体32×7.5×9.8=(117×17+43×15.5+456×7.5×9.8=59540(N.m抗弯模量:W=(D4-d4/(32D=3.14×(1.44-1.384/32/1.4=0.015(m3转动部分重量:G=(m人24+m座舱+m吊杆+m转乘架+m回转体×9.8=(70×24+78.6×12+744.24+1420+2997×9.8=76287(N单根钢丝绳拉力:T=76287/8/cos(7°57=9628(N=388755(N筒体下端应力:=G/A+M/W

37、=(m风伞+m筒体4+m筒体23g+ G外/A+M/W=(149+781+2808+2875×9.8+388755/(1/4×3.14×(1.42-1.382+59540/0.015 =14.4(MPa设动载系数k为1.5材料为Q235A, b=400MPa筒体2下端安全系数:n=b/k=400/14.4/1.5=18.5>4安全。筒体1的迎风面积A筒体1=2×4=8(m2作用在筒体1上的风力F筒体1=0.5PA筒体1CkV2=0.5×0.1228×8×1.29×1.22×15×2 =17

38、4(kgf8级风作用在立柱1下端的力矩:M=(F风伞×21+F筒体4×19.5+F筒体23×11.5+F筒体1×29.8=(469×21+174×19.5+1826×11.5+174×2×9.8=339872(N.m抗弯模量:W=(D4-d4/(32D=3.14×(24-1.9764/32/2=0.037(m3面积:A=1/4×3.14×(22-1.9762=0.0749(m2=G/A+M/W=(m总-m基础-m液压站g/A+M/W=(112068-90946-826

39、5;9.8/0.0749+ 339872/0.037=11.8(MPa设动载系数k为1.5材料为Q235A,b=400MPa筒体1下端安全系数:n=b/k=400/11.8/1.5=22.6>4安全。受力简图见图12图12人和座舱的离心力F人座=843(N, 见第3页单个座舱部分面积:A座舱=1.6×0.8=1.28(m28级风对其的施加的风力:F风=0.5PA座舱CkV2=0.5×0.1228×1.28×1.29×1.22×152=27.8(kgf座舱和人的重力:mg=2×70+78.6=218.6(kgf=2142

40、(N合力F=(F风+F人座2+(mg21/2=(27.8×9.8+8432+(214221/2 =2415(N座舱及人对吊杆的拉力:T人座舱=F=2415(N连接销轴所受力F pin=F/2=2415/2=1207.5(N销轴的截面积:A=1/4×3.14×0.0252=4.9×10-4(m2剪切应力:=F pin/A/2=1207.5/2/(4.9×10-4=1.2(MPa材料为45钢调质,b=600(MPa 0=300(MPa动载系数k=1.5则安全系数:n=0/k=300/1.2/1.5=167>6安全。受力分析见图13 图13F=

41、(F人舱+F风+F吊杆2+(m人舱g+m吊杆2(1/2=(843+27.8×9.8+2112+(218.6×9.8+62×9.82(1/2 =3053(N连接销(KT24-07-02所受剪力计算:已知:d=40mm=F/(2×1/4××d2=3053/(2×1/4××0.0402=1.22(MPa45钢调质,0=300(MPa动载系数k取1.5,则安全系数n=0/k=300/1.22/1.5=164>6安全。受力分析见图14所示: 图14M=F×0.730-mg×1.3-F三角架

42、×0.48-T×3.783=0F三脚架=86×0.73272×3.4=157(NF=(mg×1.3+F三脚架×0.48+T×3.783/0.730=(86×9.8×1.3+157×0.48+3053×3.783/0.730=17425(N三脚架底端支力F支的计算,通过矢量法求出,见图15三角形支图15F 支=16344(N,将其分解得:F 支×=15944(NF 支y=3594(N上面连接螺栓强度计算:单个螺栓所受的剪力:F B=F/3=17425/3=5808(N剪应力:=

43、F B/A=5808/(1/4×3.14×0.0202=18.5(MPa 螺栓为8.8级,其名义剪应力为: 0=400(MPa动载系数k取1.5,则安全系数n=0/k=400/18.5/1.5=14.4>6安全下面连接螺栓强度计算:垂直分力F支y=3594(N,是压在副回转体上的,其水平分力F支×=15944(N,是作用在3个螺栓上,因此,只计算剪切强度就行了。单个螺栓所受的剪力:F B= F支×/3=15944/3=5315(N剪应力=F B/A=5315/(1/4×3.14×0.0202=16.9(MPa螺栓为8.8级,其名义剪应为:0=400(MPa动载系数k取1.5,则安全系数n=0/k=400/16.9/1.5=15.8>6安全矩管:60×60×3mmA=0.06×0.06-0.054×0.054=6.84×10-4(m2b=400(MPa上=F/A=17425/(6.84×10-4=25.5(MPa下=F支/A=16344/(6.84×10-4=23.9(MPa动载系数k=1.5则安全系数n=b/ma×/k=400/25.5/1.5=10.5>6安全。座舱部分重量:12×