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基于有限元分析的塔式起重机力学性能研究毕业论文

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内容提示: 摘要 随着现代工业和技术的发展,塔式起重机的结构越来越大型化,负载和运转 速度不断提高,机械振动的动载荷增大。 对塔式起重机进行结构分析及对其进行 优化设计将具有理论意义和经济上的巨大效益。 目前,对于大型析架结构的优化 设计主要以单目标为主,多目标较少。 随着计算机技术的不断发展,起重机由单 目标设计向多目标设计发展是一种必然趋势。 本文介绍了用 CATIA V5 对塔式起重机进行运动仿真, 详细介绍了从零件的绘制到零件的装配的整个过程。运用有限元软件 ANSYS 的 APDL 语言建立了 QTZ25塔式起重机整体结构有限元模型,讨论了 塔...

文档格式:DOC| 浏览次数:33| 上传日期:2015-06-15 22:44:45| 文档星级:
摘要 随着现代工业和技术的发展,塔式起重机的结构越来越大型化,负载和运转 速度不断提高,机械振动的动载荷增大。 对塔式起重机进行结构分析及对其进行 优化设计将具有理论意义和经济上的巨大效益。 目前,对于大型析架结构的优化 设计主要以单目标为主,多目标较少。 随着计算机技术的不断发展,起重机由单 目标设计向多目标设计发展是一种必然趋势。 本文介绍了用 CATIA V5 对塔式起重机进行运动仿真, 详细介绍了从零件的绘制到零件的装配的整个过程。运用有限元软件 ANSYS 的 APDL 语言建立了 QTZ25塔式起重机整体结构有限元模型,讨论了 塔式起重机边界条件的简化、 载荷的确定和计算. 最后基于应用实例,从力学模型位移计算和系统读取两个方面对比分析来验证整个臂架系统的科学性、 可行性以及实用性,并体现出整个系统相对于传统分析方法的优越性,提高了设计分析效率,减少了人为错误的发生。 关键词: 塔式起重机; CATIA V5; 运动仿真; 有限元分析; ANSYS Abstract With the development of modern industry and technology , The structure of tower crane become more and more large, the load and running Speed of tower crane also become more and more higher,which result in greater dynamic load of machine Vibration.It will have great economic benefits and theoretical significance to analyses And optimize the structure of tower crane.Currently,Single objective optimization is the main method to large truss structure optimization design,the mufti 一 objective optimization method rarely used.It's an inevitable trend that the mufti 一 objective optimization method be used in tower crane to instead single objective optimization,with the development of computer technology. This thesis ,the tower crane’s mechanism motion simulation are introduced respectively with CATIA V5. In this part the whole process from parts design to assembly, then from the assembly to its motion simulation is introduced in detail. the ANSYS APDL language is used to establish its over all structural finite element model,which is further applied to discuss simplification of the boundary conditions,the determination and calculation of the load. At the end of the Paper, base on application, calculated from the theory of displacement and systematic comparative analysis of two aspects of reading to verify the entire system of scientific, the feasibility and practicality. Key words: Tower crane ; CATIA V5 ; Motion simulation; ANSYS 目录 摘 要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 错误! 未定义书签。 第一章绪论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 错误! 未定义书签。 1. 1 课题研究的意义 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1. 2 塔式起重机的概述 ....................................................................... 错误! 未定义书签。 1. 3 塔式起重机的发展概况 .............................................................. 错误! 未定义书签。 1. 4 塔式起重机的发展趋势 ................................................................................................. 4 第二章 塔机的三维模型的建立 ................................................................................................. 7 2. 1 塔机材料的选择 ............................................................................................................. 7 2. 2 塔身的绘制....................................................................................................................... 8 2. 3 塔顶的绘制..................................................................................................................... 12 2. 4 塔臂的绘制..................................................................................................................... 17 2. 5 其它部分的绘制 ........................................................................................................... 20 2. 6 塔机的装配安装 ........................................................................................................... 20 第三章 塔机的 ANSYS 建模和分析 .......................................................................................... 27 3. 1 有限元方法及有限元软件 ANSYS ............................................................................. 27 3. 2 在 ANSYS 中建立塔机模型 ......................................................................................... 29 3. 3 施加载荷约束并分析 .................................................................................................. 32 第四章 总结 ................................................................................................................................... 36 致 谢 ............................................................................................................................................... 37 参考文献 .......................................................................................................................................... 38 附录 1 第一章 绪论 1. 1 课题研究的意义 从近年来中国城镇化发展现状看, 中国城镇化呈现出稳定、 快速发展的态势。 尽管如此, 中国的城镇化滞后于工业化早已是不争的事实, 同时中国的城镇化也滞后于中国的经济发展水平。 从城市化率来看, 目前我国城市化率只有 31%, 低于世界平均水平 15 个百分点, 根据对中国经济增长的潜力和中国人口增长的综合分析, 可以预测, 未来20 年内, 中国城市化水平将提高到 60%左右, 这意味着城市化率每年需提高约 1. 5 个百分点。 城市化的发展离不开高楼大厦的建筑, 也就势必少不了建筑高楼大厦的重要工具一塔式起重机(简称塔机) 塔机是动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。 在房屋建筑施工中, 塔机主要用于物料的垂直和水平输送以及建筑构件的安装。 应用塔机对于加快施工进度, 缩短工期, 降低工程造价起着重要作用。 塔机设计性能参数的不断完善, 使建筑等各领域工艺进行了 许多重大改革; 随着这些新工艺, 新技术应用的不断扩大, 反过来又对塔机的性能和参数提出了 更高的要求。 但传统计算方法由于受限于理论和手段的匾乏, 相对简化过大, 计算结果精度较差等一系列弊病的存在, 为了改进这些问题, 目前基本采用基于有限元软件作为平台, 用有限元法做为计算手段。 大大提高了 计算的效率及精度。 因此, 通过有限元分析对塔式起重机力学性能研究具有重要意义。 1. 2 塔式起重机概述 塔式起重机(以下简称“塔机” ) 是一种塔身竖立起重臂回转的起重机械,在工业与民用建筑施工中是完成预制构件及其他建筑材料与工具等吊装工作的主要设备。 基本结构图如图 1. 1 所示。 工作机构主要包括: 起升机构、 回转机构、 2小车牵引机构、 台车行走驱动机构等; 起升机构是塔式起重机中最重要、 最基本的机构, 是以间歇, 重复工作方式, 将重物通过其中吊钩或其他吊具悬挂在承载构件(如钢丝绳、 链条) 上进行起升、 下降, 或起升与运移的机械设备。 主要安装在塔式起重机的起重臂上。 其主要组成部分有: 电机、 变速箱、 制动器、 卷筒、底架、 轴承座和安全装置等。 在高层建筑施工中其幅度利用率比其他类型起重机高。 由于塔式起重机能靠近建筑物, 其幅度利用率可达全幅度的 80%, 普通履带式、轮胎式起重机幅度利用率不超过 50%, 而且随着建筑物高度的增加还会急剧的减少。 因此塔式起重机在高层工业和民用建筑施工的是使用中一直处于领先地位。应用塔式起重机对于加快施工进度、 缩短工期、 降低工程造价起着重要的作用。 1. 3 塔式起重机发展概况 塔式起重机是在第二次世界大战后才真正获得发展。 战后各国面临着重建家园的艰巨任务, 浩大的建筑工程量迫切需要大量性能良好的塔式起重机。 在中国塔式起重机的生产与应用已有 40 多年的历史, 经历了一个从测绘仿制到自行设计的过程。 20 世纪 50 年代, 为满足国家经济建设的需要, 中国引进了前苏联以及东欧一些国家的塔式起重机, 并进行仿制。 1954 年仿制民主德国设计的样机, 在抚顺试制成功了中国第一台 TQ-6 型塔式起重机。 随后又仿造前苏联样机, 研制了 15t 与25t 塔式起重机, 这个时期中国生产与使用的塔式起重机的数量都较少。 20 世纪 60 年代, 由于高层、 超高层建筑的发展, 广泛使用了内部爬升式和外部附着式塔式起重机, 并在工作机构中采用了 比较先进技术, 如直流电机调速、涡流制动器, 在回转和运行机构中安装液力偶合器等。 在此时期, 中国开始进入 3了 自行设计与制造塔式起重机的阶段。 1961 年, 首先在北京试制成功了 红旗-11型塔式起重机, 它也是中国最早自行设计的塔式起重机。 随后, 中国又自行设计了 TQ-6 型塔式起重机, 至 1965 年全国已有生产厂 10 家, 生产塔式起重机 360 台。这些塔式起重机都是下回转动臂式, 可整体拖运, 能满足六层以下民用建筑施工的需要。 20 世纪 70 年代, 塔式起重机服务对象更为广泛。 塔式起重机的幅度、 起重量、和起升高度均有了 显著提高。 为了 满足市场各方面的需求, 塔式起重机又向一机多用方向发展。 中国塔式起重机进入了技术提高、 品种增多的新阶段。 1972 年中国第一台下回转的轻型轮胎式轨道两用起重机问世; 同年为了 北京饭店施工, 中国又自行设计制造了 QT-10 型自升式塔式起重机, 该机重力矩为 1600kN· m。 这一时期还先后开发了 ZT100、 ZT120、 ZT280 等小车变幅自升式塔式起重机、 QT-20 小车变幅内爬式塔式起重机, QTL16、 TQ40、 TQ45、 TD25、 QTG40、 QTG60 下回转动臂自行架设快装塔式起重机等, 其年产量最高超过 900 台, 标志着中国塔式起重机行业进入一个新的阶段。 20 世纪 80 年代, 中国塔式起重机相继出现了不少新产品, 主要有 QTZ100、QTZ120、 等自升式塔式起重机, QT60、 QTK60、 QT25HK 等下回转快装塔式起重机等。这些产品在性能方面已接近国外 70 年代水平, 这一时期的最高年产量达 1400 台。与此同时, 随着改革开放和国际技术交流的增多, 为满足建筑施工的需要, 也从国外引进了一些塔式起重机, 其中有联邦德国的 Liebberr、 法国的 Potain 以及意大利的 Edilmac 等公司的产品。 由于这些塔式起重机制造质量较好, 技术性能比较先进, 极大促进了中国塔式起重机产品的设计与制造技术的进步。 20 世纪 90 年代以后, 中国塔式起重机行业随着全国范围建筑任务的增加进入 4了 一个新的兴盛时期, 年产量连年猛增, 而且有部分产品出口到国外。 全国塔式起重机的总拥有量也从 20 世纪 50 年代的几十台截止 2000 年约为 6 万台。 至此,无论从生产规模、 应用范围和塔式起重机总量等角度来衡量, 中国均堪称塔式起重机大国。 图 1-1 塔式起重机 51. 4 塔式起重机的发展趋势 塔式起重机的发展不仅与机械化施工的需求密切相关, 同时与其他领域科学技术的发展相关。 当前塔机的发展具备如下一些特点和趋势: 1、 吊臂长度加长 在六十年代初, 吊臂长度超过 4Om 的较少, 七十年代吊臂长度已能做到 70m, 快速拆装下回转塔式起重机的吊臂长度可达 35m。 自升式塔式起重机吊臂是可以接长的, 标准臂长一般为 30 一一 45m, 可以接长到 50 一 6Om。 重型塔式起重机吊臂则更长。 吊臂加长可带来更好的技术经济效果。 随着塔式起重机设计水平的提高, 能解决由臂长加大带来的一些技术问题(如安装和运输问题) 。 低合金高强度钢材及铝合金的广泛采用亦为加长吊臂提供了非常有利的条件。 2、 工作速度提高, 且能调速 由于调速技术的进步, 滑轮组倍率可变, 双速、 三速电动机及直流电动机调速的应用, 使塔式起重机工作速度在逐渐提高。 起升机构普遍做到具有 3 一 4 工作速度, 重物起升速度超过 100m/min 者也很多。 构件安装就位速度可在 0 一 10m/min范围内进行选择。 回转速度一般可在 0-lr/min 之间进行调节。 小车牵引和塔式起重机行走大多也有 2 一 3 种工作速度, 小车牵引速度最快可达 60m/min。 3、 改善操纵条件 随着塔式起重机向大型、 大高度方向发展, 操纵人员的能见度愈来愈差。 因此需要在吊臂端部(动臂变幅) 或小车上(小车变幅) 安装电视摄象机, 在操作室利用电视进行操作。 有的还采用了双频道的无线电遥控系统, 不但可由地面的操作人员控制吊装, 还可根据事先编排的程序自动进行吊装。 4、 更多地采用组装式结构 6为了 便于产品的更新换代, 简化设计制造、 使用与管理, 提高塔式起重机使用的经济效益。 以不同模数塔身, 臂架标准节组合成变截面塔身和臂架, 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, 为降低成本, 简化管理创造了条件。 7第二章 塔机三维模型的建立 2. 1 塔机材料的选择 塔机通常使用普通碳钢材料制成, 如 Q345B。 Q345B: 是一种钢材的材质。 它是低碳合金钢(c<0. 2%) , 综合性能好, 低温性能好, 冷冲压性能, 焊接性能和可切削性能好。 广泛应用于桥梁、 车辆、 船舶、建筑、 压力容器等。 Q 代表的是这种材质的屈服, 后面的 345, 就是指这种材质的屈服值, 在 345MPa 左右。 并会随着材质的厚度的增加而使其屈服值减小。 Q235--金属结构件, 心部强度要求不高的渗碳或氰化零件, 拉杆、 连杆、 吊钩、车钩、 螺栓螺母、 套筒、 轴及焊接件。 Q345--综合力学性能良好, 低温性能亦可, 塑性和焊接性良好, 用做中低压容器、 油罐、 车辆、 起重机、 矿山机械、 电站、 桥梁等承受动荷的结构、 机械零件、 建筑结构、 一般金属结构件, 热轧或正火状态使用, 可用于-40℃以下寒冷地区的各种结构。 如结构是强度控制, 可考虑采用 Q345, 如结构是刚度控制, 可考虑采用 Q235。价格 Q345 稍贵点, 但因其高强度, 可节省材料。 具体选用可从以上几点综合比较。 ①. 广泛应用于桥梁、 车辆、 船舶、 建筑、 压力容器等。 ②. 适用于热轧、 控轧、 正火、 正火加回火及淬火状态供应的工程用钢和一般结构用厚度不小于 3mm的钢板、 钢带及型钢、 钢棒。 2. 2 塔身的绘制 本节介绍塔身一部分的设计。 后面用重复试用就行装配 82. 2. 1 进入零件设计工作台 在桌面上双击 CATIA 的快捷方式图标, 运行软件, 打开软件的工作界面,如图 2-1 所示。 选择菜单栏中的“开始” →“机械设计” →“Part Design(零件设计) ” 命令, 如图 2-2 所示, 进入零件设计工作台, 如图 2-3 所示。 图 2-1 软件的工作界 图 2-2 选择零件设计 图 2-3 设计界面 9 2. 2. 2 绘制多边形草图 1. 选择模型树中“xy 平面” 作为参考平面, 如图 2-4 所示。 单击“草图编辑器”工具栏中的“Sketcher(草图) ” 按钮, 进入草图设计工作台。 2. 单击“Rectangle(矩形) ” 工具栏中的 Rectangle(矩形) 按钮, 绘制如图 2-5 所示。 3. 单击“dimensional constraints(约束) ” 按钮, 进行约束, 两个正方形边长分别为 1300, 1100。 4. 单击“工作台” 工具栏中的“Exit Workbench(退出工作台) ” 按钮, 重新进入零件设计工作台。 图 2-4 选择参考面 图 2-5 绘制草图 2. 2. 3 拉伸生成实体 单击“基于草图的特征” 工具栏中的“Pad(拉伸) ” 按钮, 弹出“Pad Definition(拉伸定义) ” 对话框, 如图 2-6 所示。 在“First Limit(第一限制) ”选项组中的“Type(类型) ” 下拉列表框中选择默认的“Dimension(尺寸) ” 选 10项, 在“Length(长度) ” 文本框中输入“2300mm” 。 图 2-6 定义凸台 图 2-7 拉伸成实体 2. 2. 4 绘制草图 选中图 2-7 中零件的一表面然后点击单击“ 草图编辑器” 工具栏中的“Sketcher(草图) ” 按钮, 进入草图设计工作台。 单击“轮廓” 中按钮绘制两个三角形, 然后再单击进行约束, 结果如图 2-8 所示. 2. 2. 5 挖切实体 单击“基于草图的特征” 工具栏中的 Pocket(凹槽) 按钮, 弹出(凹槽)对话框, 如图 2-9 所示。 对实体凹槽之后的结果如图 2-10 所示。 2. 2. 6 重复以上操作, 对实体其它几个面进行挖切, 最终得到塔身第一节如图 2-11所示。 11 图 2-8 草图绘制 图 2-9 凹槽定义 图 2-10 挖空实体 图 2-11 塔身基础节 12 2. 2. 7 保存 1. 右击其模型树中的“part1” 按钮, 在其下拉菜单中选择“属性” , 打开对话框如图 2-12, 点击“产品” 按钮, 在“零部件号” 后的选项中重新命名零件名称为“支座” (默认的是“Part1” ) 。 2. 选择菜单栏中的“文件” →“保存” 命令, 或用快捷键“Ctrl+S” 来保存文件。 图 2-12 属性对话框 2. 3 塔顶的绘制 2. 3. 1 进入零件设计工作台 在桌面上双击 CATIA 的快捷方式图标, 运行软件, 打开软件的工作界面,如图 2-12 所示。 选择菜单栏中的“开始” →“机械设计” →“Part Design(零件设计) ” 命令。 先单击“Rectangle(矩形) ” 工具栏中的 Rectangle(矩形)按钮, 绘制出图形, 再单击“dimensional constraints(约束) 按钮, 13进行约束, 正方形的边长为 1000mm。 约束完如图 2-13 所示。 2. 3. 2 多截面实体绘制 1. 单击“工作台” 工具栏中的“Exit Workbench(退出工作台) ” 按钮, 重新进入零件设计工作台。 2. 在 Reference Elemennts 中单击 Plane(平面) 按钮, 进入平面定义对话框,选择“偏移平面” 、 “xy 平面” 、 “5000mm” 。 结果如图 2-14 所示。 图 2-13 草图绘制 14图 2-14 偏移平面的建立 3.进入草图绘制, 单击 “Rectangle (矩形) ” 工具栏中的 Rectangle (矩形) 按钮,绘制出图形, 再单击“dimensional constraints(约束) 按钮, 进行约束,正方形的边长为 475mm。 4.单击 “基于草绘的特征”工具栏中的 Mumti-Seetions Solid (多截面实体) 按钮。 5.单击选择两个平面, 再单击“耦合” 选择“比率” 如图 2-15。 得到实体如图 2-16。 图 2-15 多截面实体定义 图 2-16 拉伸实体图 2. 3. 3 对实体挖切拉伸 1. 单击“插入” 选择“修饰特征” 里的“抽壳” , 出现“定义盒体” , 默认厚度设置为 100mm。 2. 在多面体上选择一个面单击“草图编辑器” 工具栏中的“Sketcher(草图) ”按钮, 进入草图设计工作台。 153. 在底面上用之前步骤绘制一个正方形, 边长为 800。 4. 退出草图模式, 单击, 深度为 100。 5. 对实体侧面就行挖切, 如上操作进入草图模式, 单击“Profile(轮廓) ” 工具栏中的 Profile(轮廓) ” 按钮, 约束后如图 2-17 所示。 6.重复同样操作, 和采用“镜像”工具对实体挖空后如图 2-18 2. 3. 4 连接杆的绘制 1.在草图模式中绘制如图 2-19 和 2-20。 2.然后退出草图模式进行拉伸。 3.通过镜像处理即可完成零件的绘制如图 2-21 2. 3. 5 保存零件 选择菜单栏中的“文件” →“保存” 命令, 或用快捷键“Ctrl+S” 来保存文件。 图 2-17 绘制轮廓 图 2-18 挖空实体 16 图 2-19 草图的绘制 图 2-20 草图的绘制 17 图 2-21 零件绘制完成 2. 4 塔臂的绘制 2.4.1 进入零件设计工作台 1. 选择菜单栏中的“开始” →“机械设计” →“Part Design(零件设计) ” 命令,选择模型树中“xy 平面”作为参考平面。 单击 “草图编辑器”工具栏中的 “Sketcher(草图) ” 按钮, 进入草图设计工作台。 2. 单击“Rectangle(矩形) ” 工具栏中的 Rectangle(矩形) 按钮, 如图 2-22。 3. 退出草图模式, 单击工具栏中的“Pad(拉伸) ” 按钮, 弹出“Pad Definition(拉伸定义) ” 对话框, 输入尺寸“4900mm” 拉伸结果为如图 2-23。 4. 单击“Sketcher(草图) ” 按钮, 进入草图设计工作台, 绘制如图 2-24。 5. 单击“Pad(拉伸) ” 按钮输入尺寸“100mm” , 拉伸结果如图 2-25 6. 重复上述操作得到如图 2-26 18 图 3-22 矩形绘制 图 2-23 拉伸 图 2-24 草图绘制 19 图 2-25 拉伸 图 2-26 框架 2. 4. 2 加强筋的绘制 建立一个新平面, 此平面通过上杆和下杆的两条直线, 单击次平面进入草图模式, 绘制如图 2-27。 再进行拉伸得到所要求的零件图 2-28。 2. 4. 3 保存零件 选择菜单栏中的“文件” →“保存” 命令, 或用快捷键“Ctrl+S” 来保存文件。 2. 4. 4 塔臂其它部分 根据上速方法同样绘制出塔臂其它部分零件图如图 2-29 2. 4. 5 选择菜单栏中的“文件” →“保存” 命令, 或用快捷键“Ctrl+S” 来保存文件。 20 图 2-27 绘制加强筋 图 2-28 塔臂完成 图 2-29 塔臂其它部分 2. 5 其它部分绘制 根据上面的方法画出起重机平衡臂其它几个部分的三维图如图 2-30 和图2-31 21 图 2-30 塔臂平台 图 2-31 平衡重 2. 6 塔机的装配安装 2. 6. 1 导入塔机零件 进入装配件设计工作平台 在桌面上双击 CATIA 的快捷方式图标, 运行软件, 打开软件的工作界面,如图 2-32 所示。 选择菜单栏中的“开始” →“机械设计” →“Product Design(装配件设计) ” 命令, 如图 2-33 所示, 进入装配件设计工作台, 如图 2-34 所示。 22 图 2-32 工作界面 图 2-33 选择装配件设计 图 2-34 装配界面 把指针指向将要导入的零件模型树上的名称如图 2-35, 用手紧按鼠标左键不 23松, 把指针指向想要导入的装配零件图内的零件模型树上的名称如图 2-36, 然后松开鼠标左键, 这样就会把所需零件导入到装配图中。 图 2-35 指向要导入图 图 2-36 导入准配图中 (3) 在导入进以后, 其各个零件相互交叉在一起, 不便于看图和装配, 这时要用此工具如图 2-37 所示, 把它放在零件上可一把零件移动。 图 2-37 罗盘 2. 6. 2 零件的装配 1. 选择支座的模拟树中的“属性” 如图 2-38, 打开其属性对话框如图 2-39,选择对话框中的“图形” →“图形属性” →“颜色” 选项卡选择“黄色” 如图 2-40, 然后单击“应用” “确定” 。 支座颜色改变为如图 2-40 依照上面的步骤也把基础节变为黄色。 24 图 2-38 选择属性 图 2-39 属性对话框图 图 2-40 选择黄色 2. 选择菜单栏上的“插入” , 打开“约束编辑” 工具栏如图 2-41, 单击“相合约束” 按钮, 弹出对话框如图 3-42, 单击关闭。 图 2-41 约束编辑 图 2-42 对话框 25选择菜单栏上的“插入” , 打开“约束编辑” 工具栏, 单击“联系约束” 按钮, 弹出对话框如图 2-43, 单击关闭。 选择上面已约束的支座表面和基础节的表面, 单击“更新” 按钮, 建立约束。 右击其模型树中的“基础节” 按钮, 选择菜单栏的“定义多实例化” 如图 2-43所示, 出现一对话框如图 2-44 所示。 选择对话框内“参考方向” →“轴” →“”单击确定如图 2-45 所示。 图 2-43 选择多实例化 图 2-44 打开对话框 图 2-45 多实例化后的塔身 262. 6. 3 塔顶的装配 1. 选择塔顶的模拟树中的“属性” 打开其属性对话框如图选择对话框中的“图形” →“图形属性” →“颜色” 选项卡选择“黄色” 然后单击“应用” “确定” 。标准节颜色改变为黄色。 2. 选择菜单栏上的“插入” , 打开“约束编辑” 工具栏, 单击“相合约束”按钮, 弹出对话框, 单击关闭。 选择支座得一条轴线, 再选择基础标准节上的相应轴线, 单击“更新” 按钮。 用同样的方法去做第二个相合约束如图 2-46所示。 图 2-46 相合约束 2. 6. 4 其余部分的装配 按照上诉操作方法完成塔式起重机其余部分的装配。 塔臂如图 2-47 所示 图 2-47 塔臂的装配 273.6.5 完成装配 按上诉装配的操作, 最后塔式起重机的完整如图 2-48。 图 2-48 塔机完整装配图 28第三章 塔机的 ANSYS 建模和有限元分析 3. 1 有限元方法及有限元软件 ANSYS 3. 1. 1 有限元法介绍 有限元法(FEM, Finite Element Method) 就是把物理结构分割成有限个区域,这些区域称为单元。 每个单元中有有限个节点, 单元间通过节点相连。 对每一个单元建立作用力方程, 所有单元的方程组合成整个结构的系统方程, 求解该系统方程, 得到结构的近似解。 有限元法要点: 将一个表示结构或者连续体的求解域离散为若干个子域(单元) , 并通过他们的边界上的结点相互连接成为组合体。 用每个单元内所假设的近似函数来分片地表示全求解域内的未知场变量。 而每个单元内的近似函数由未知场函数在单元各个结点上的数值与其对应的插值函数来表达(通常为矩阵形式) 。 由于在联结相邻单元的结点上, 场函数应具有相同的数值, 因而将它们用作数值求解的基本未知量。 这样一来, 求解原来待求场的无穷多自由度问题转换为求解场函数结点值的有限自由度问题。 通过和原问题数学模型(基本方程、 边界条件) 等效的变分原理或加权余量法, 建立求解基本未知量(场函数的结点值) 的代数方程组或常微分方程组。 此方程组称为有限元求解方程, 并表示成规范化的矩阵形式。 接着用数值方法求解此方程, 从而得到问题的解答。 3. 1. 2 ANSYS 有限元分析软件简介 ANSYS 软件是融结构、 流体、 电场、 磁场、 声场分析于一体的大型通用有限元 29分析软件。 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发, 它能与多数 CAD 软件接口, 实现数据的共享和交换, 如 Pro/Engineer, NASTRAN, I-DEAS, AutoCAD 等, 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 软件功能简介 软件主要包括三个部分: 前处理模块, 分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了 一个强大的实体建模及网格划分工具, 用户可以方便地构造有限元模型; 分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、 非线性分析和高度非线性分析) 、 流体动力学分析、 电磁场分析、 声场分析、 压电分析以及多物理场的耦合分析, 可模拟多种物理介质的相互作用, 具有灵敏度分析及优化分析能力; 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、 梯度显示、 矢量显示、 粒子流迹显示、立体切片显示、 透明及半透明显示(可看到结构内部) 等图形方式显示出来, 也可将计算结果以图表、 曲线形式显示或输出。 软件提供了 100 种以上的单元类型,用来模拟工程中的各种结构和材料。 启动 ANSYS, 进入欢迎画面以后, 程序停留在开始平台。 从开始平台(主菜单)可以进入各处理模块: PREP7(通用前处理模块) , SOLUTION(求解模块) , POST1(通用后处理模块) , POST26(时间历程后处理模块) 。 ANSYS 用户手的全部内容都可以联机查阅。 用户的指令可以通过鼠标点击菜单项选取和执行, 也可以在命令输入窗口通过键盘输入。 命令一经执行, 该命令就会在. LOG 文件中列出, 打开输出窗口可以看到. LOG 文件的内容。 如果软件运行过程中出现问题, 查看. LOG 文件中的命令流及其错误提示, 将有助于快速发现问题的根源。 LOG 文件的内容可以略作修改存到一个批处理文件中, 在以后进行同样工作时, 由 ANSYS 自动读入并执行, 这是 ANSYS 软件的第三种命令输入方式。 这种命令方式在进行某些重复 30性较高的工作时, 能有效地提高工作速度。 3. 2 在 ANSYS 建立塔机模型 3. 2. 1 塔机结构单元的选择 我们以塔机三角形吊臂为例进行研究, 它由主弦杆、 腹杆和隔杆焊接而成。 其吊臂的主 弦杆和腹杆属于结构分析范畴, 故将其用梁单元划分有限元网格是合适的。 目前对塔机进行 动力分析有多种方法, 其中以动力有限元方法为多。 但塔机结构复杂, 进行这种有限元分析 时涉及单元较多, 需花费大量时间进行数据前处理且容易出错。 而 ANSYS 有限元软件, 提供 了强大的动力分析工具。 可很方便进行各类动力分析问题, 且能自动计算前处理所需数据 根据塔机结构特点, 在 ANSYS 中可用梁单元来模拟其金属结构。 在建立塔机结构动态分 析模型时应注意以下原则: ①模型应能全面、 准确反映塔机在工作状态下的变形和应力特点; ②模型应与实际形状保持几何上的相同, 对研究问题影响不大的局部结构可适当简化; ③模 型受力应与塔机工作时外载荷作用下相同; ④模型的边界约束条件应与塔机实际工作状态保 持一致; ⑤对变幅小车、 变幅机构等塔机附件, 采用质量单元来模拟。 按上述原则, 我们在建模时做了以下四点处理: ①塔身、 吊臂主弦杆和腹杆的每个连接 点都按实际尺寸建了节点。 每节塔身、 吊臂的连接点也建了点, 保证模型与塔机在几何上相 同; ②为方便建模, 对平衡臂采用增大梁单元截面面积的办法来模拟平衡重; ③对结果影响 不大的局部结构如钢丝绳等, 由于它们的质量与整个塔机相比很小, 对计算结果影响不大, 为建模方便, 此处不予以考虑; ④由于塔身 底部结构刚度很大且又与地基用地脚螺栓相连, 可认为其底部能承受弯 31矩, 将它假定为固接支座; 吊臂根部是通过销轴与塔机的回转节相连, 2 故在臂架起升平面内认为此处是铰支座; 调臂两根拉杆以梁元处理, 其上吊点从按固定铰支 座处理; 平衡臂拉杆和上吊点处理法与吊臂相似, 为固定铰支座; 由于塔身的刚度很大, 上 部弯矩小, 故可把塔帽与上回转支座的连接及下回转支座与塔身的连接做为固接支座处理。 3. 2. 2 ANSYS 有限元模型单元分析 以某厂生产的 QTZ25 塔机为例介绍建立模型过程。 该塔机选用钢材的弹性 EX= 210 GPa、 泊松比μ =0. 3、 密度ρ =7800 kg/ m3。 塔机主要部件选用的截面尺寸和在 ANSYS 中选用的 Beam4 单元时的实常数详, 见表 1。 表 1-塔机实常数表 在 ANSYS 中建立QTZ25 塔机模型时采用三维梁单元 Beam4来模拟塔机钢结构, ANSYS中 Beam4 梁单元的特性: 该单元是具有拉伸、 压缩、 扭转和弯曲能力的线单元。单元每个节点有 6 个自由度, 3 个沿着 x、 y、 z 轴平移自由度和绕 x、 l, 、 z 轴转动自由度, 可以包含应力强化和大变形效应。 该单元的输入数据有横截面面积、两个主轴方向的惯性矩(IZZ、 , yy) 和两个方向上的厚度(TKY、 TKZ) 等。 根据 Beam4单元特性, 结合塔机钢结构受力特点, Beam4 单元能够很好模拟塔机钢结构。 最后建立好塔机在 ANSYS 中的完整模型共有节点 337 个, Beam4 单元 842 个, 完整模型 32见图 3-1 图 3-1 塔机有限元图 1) 划分单元 设定分析模块 使用 “Preferences” 对话框, 并选择结构分析(structural) 模块, 以便对菜单进行过 滤。 设定选用单元类型, 塔机中吊臂上的上下弦杆及腹杆等均选用梁单元 beam4。 在 ANSYS 中, 有些单元 的几何特性不能仅用其节点的位置充分表示出来时, 就需提供一些实常数来补充几何信息。 典型的实常数有壳单元的厚度、 梁单元的横截面积等, 这些单元类型所需的实常数以实常数 组的形式输入。 目前需要的梁单元 (beam4) 的实常数是主弦杆、 腹杆以及隔杆等的横截面 积, 本模型因有不同截面, 为所选梁单元(beam4) 设定实常数见表 1。 2) 定义材料属性 材料属性 (如杨氏模量、 密度等) 是与几何模型无关的本质属性。 虽然它并 33不与单元类 型联系在一起, 但由于计算单元矩阵时需要材料属性, ANSYS 为了用户使用方便, 还对每种 单元类型列出了相应的材料类型。 根据不同应用, 材料属性可以是线性或非线性的。 与单元 类型及实常数类似, 一个分析中可以定多种材料, 每种材料设定一个材料编号。 对于塔机, 只有一种材料 16Mn 钢, 其杨氏模量、密度、 泊松比做如下定义弹性 EX= 210 GPa、 泊松比μ =0. 3、 密度ρ =7800kg/ m3 3) 对几何模型划分网格 ①网格尺寸控制: 由于模型尺寸很大, 需分开划分。 但因大部分所建平面均属同性质, 故可利用尺寸控制来控制几何模型中线的网格划分段数; ②单元属性选择在划分网格前, 须先设定单元属性; ③单元类型: beam4; ④材料的数字(亦只有一种材料 1) ; ⑤实常数的数字, 当划分不同、 厚度截面材料时, 分别赋予不同截面的常数; ⑥单元坐标系: 0 表示与坐标系一致。 在二维单元网格划分中, 用粘接和搭接命令后生成的模型中的规则和较大平面的边框线划分成 10 段, 选择 Quad 和 Mapped 选项, 划分为四边形网格, 单元尺寸为边长 200~300mm。 较大的规则平面均划分为规则形状的网格, 而较小面积处与和受力点出以及加强筋等不规则形状处均划分为自由网格。 4. 3 施加载荷和约束并分析 塔式起重机静力分析: 1) 塔式起重机自重以重力加速度的方式加到每个单元上。 如图 3-2 2) 固定塔身底部约束塔身底部的四个节点的所有自由度。 施加约束后如图 3-3 3) 在塔臂最前端以集中载荷的方式加到前端的节点上, 载荷为 4. 5KN。 如图 3-4 34 图 3-2 塔机重力下有限元图 3-3 塔机受地面约束有限元图 35 图 3-4 塔机受载荷有限元图 在通用后处理器进行结果分析 处理之后的结果如下图 3-5 和 图 3-6 图 3-5 塔机变形云图 36 图 3-6 塔机应力云图 3. 3. 1 强度分析: 根据强度理论, 结构应具有足够的强度, 以保证在规定的使用条件下不发生意外断裂或显著塑性变形, 所以对结构强度分析是必要的。 该结构使用的材料为塑性材料, 对于塑性材料, 其屈服力σ s 小于强度极限, 故通常以屈服应力作为极限应力。 Q345B 碳钢的屈服应力值为 345MPa。 按屈服应力的安全因素 ns, 通常取1. 5-2. 2, 在这里取 ns=1. 5, σ =[σ ]=σ s/n=230MPa。 ANSYS 计算的结果, 由应力云图可以看出为 165. 896MPa。 小于 230MPa。 满足要求。 3. 3. 2 刚度分析 在结构设计中, 除应满足强度要求外, 具有足够的刚度也非常重要。 将塔机作为外伸梁, 对于梁的刚度要求的最大恼度与最大转角分别不超过各自的许用值。 在此考虑最大挠度。 根据 ANSYS 计算结果如图 3-5, 最大位移 244. 363mm。 满足要求。 37第四章 总结 1) 由以上分析, 可以清楚地看到塔机所受到的最大、 最小应力结构的变形情况,从而找出其危险点, 为进一步改进结构提供了理论依据。 2) 用 ANSYS 软件计算所得到的结果可以全面了解塔机各个部分的应力情况, 直接得到结构的最大应力, 还可以直观的得到结构的应力和位移分布。 3) 通过此次设计对塔机有了更深入的认识, 以及工作时候的性能情况。 4) 由于此次毕业设计时间有限, 研究扔比较片面, 在未来的研究中可扩大研究范围, 对平衡重、 拉索等力学性能进行深入研究。 38致 谢 首先, 我要感谢我的导师朱银锋老师, 他严谨细致、 一丝不苟的作风一直是我工作、 学习中的榜样, 给了 起到了 指明灯的作用; 他循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪, 让我很快就感受到了 设计的快乐并融入其中。 其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点, 没有他的帮助和提供资料, 没有他的鼓励和加油, 这次毕业设计就不会如此的顺利进行。 此次毕业设计历时三个月, 是我大学学习中遇到过的时段最长、 涉及内容最广、 工作量最大的一次设计。 用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把以前的小课程设计综合在一起的过程, 只要把握住每个小课设的精华、 环环紧扣、增强逻辑, 那么这次的任务也就不难了。 我此次的任务是做一个项目的招标文件。虽说老师说的话让此次的毕业设计看起来不是那么的可怕, 但是当我真的开始着手时, 还的确是困难重重。 俗话说的好, “磨刀不误砍柴工” , 当每次遇到不懂得问题时, 我都会第一时间记在本子上面, 然后等答疑的时候问两位老师, 老师对于我提出来的问题都一一解答, 从来都不会因为我的问题稍过简单加以责备, 而是一再的告诫我做设计该注意的地方, 从课题的选择到项目的最终完成, 老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持, 他真正起到了 “传道授业解惑疑” 的作用, 让人油然而生的敬佩。 除此之外, 我们组和老师还有另外两个交流途径: 打电话和上网, 为此老师还特意建立一个群, 以便大家第一时间接收到毕业设计的最新消息和资料, 每次大家都在群不亦乐乎的讨论着毕业设计的事情。 他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样, 并将积极影响我今后的学习和工作。 在此谨向朱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际, 我的心情无法平静, 从开始进入课题到论文的顺利完成, 有多少可敬的师长、 同学、 朋友给了 我无言的帮助, 在这里请接受我诚挚的谢意! 最后我还要感谢机电学院和我的母校安徽建筑大学四年来对我的栽培。 39参考文献 [1] 严大考, 郑兰霞. 起重机械. 郑州: 郑州大学出版社, 2009 [2] 盛选禹, 盛选军. CATIA V5 运动和力学分析实例教程. 北京: 化学工业出版社,2008 [3] 张青松, 崔继超. CATIA V5 三位机械设计. 北京: 北京理工大学出版社, 2007 [4] 寇世瑶. 机械制图. 北京: 高等教育出版社, 2007 [5] 张质文, 虞和谦. 起重机设计手册. 北京: 中国铁道出版社, 2001 [6] 肖燕生. 工程机械使用手册. 北京: 中国水利水电出版社, 1998 [7] 成大先. 机械设计手册. 北京: 化学工业出版社, 2002 [8] 杨长骙. 起重机械. 北京: 机械工业出版社, 1983 [9] 谢龙汉, 单岩. CATIA V5 零件设计. 北京: 化学工业出版社, 2005 [10] 盛选禹. CATIA 有限元分析命令详解与实例. 北京: 机械工业出版社, 2005 [11]徐业宜. 机械系统动力学[M]. 北京: 机械工业出版社, 1990. [12] 刑静忠, 王永刚, 陈晓霞. ANSYS 7. 0 分析实例与工程应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004. 40附录:

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