塔式起重机平衡臂的有限元分析Word下载.docx
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通过实验分析使学生了解和掌握有限元技术辅助机械系统设计和分析的特点，推动学生进行创新设计，进一步提高动手操作能力，为将来所从事的机械设计打下坚实的基础。
二、实验任务：
本专题实验借用上一学期现代机械工程基础实验1-金属结构部分的参数和设计成果，采用有限元方法进行设计分析，用ANSYS软件对塔机的平衡臂结构进行模型构建和强度、刚度分析，并与手工计算结果进行对比讨论。
从而掌握有限元法进行工程实例计算的基本方法和步骤。
三、实验课题：
四、实验要求：
本实验要求学生以高度的责任感，严肃认真、一丝不苟的态度进行设计，充分发挥主观能动性，树立正确的设计思想和良好的工作作风，严禁抄袭和投机取巧。
同时，按以下要求进行设计：
1、按照国家标淮和设计规范进行设计：
塔式起重机设计规范GB/T13752-92；
起重机设计规范GB/T3811-2008；
钢结构设计规范GB50017-2003；
塔式起重机安全规程GB5144-2006。
2、进行塔式起重机平衡臂的设计，额定起重力矩为630kNm、800kNm、1000kNm、1250kNm分别进行平衡臂长度（平衡重距回转中心的距离）为8m、10m、12m、14m、16m的平衡臂的有限元计算。
（ 1250kN.m、16m ）
3、综合运用学过的力学知识和有限元理论，设计平衡臂的结构及主肢和腹杆的参数，构造平衡臂的有限元模型，选择合适的单元，施加合适的载荷和边界条件，对结构进行静力分析，提取结果，进行强度和刚度校核，撰写实验报告并总结。
五、实验报告要求
写明实验目的、任务、内容和步骤，具体包括目录、平衡臂的结构设计及有关参数、材料及参数、有限元模型的单元类型及单元特点、力学模型的确定、边界条件及载荷的处理、不同工况的处理、计算结果分析及校核、实验总结。
六、实验进度：
序号
主要内容
时间
地点
1
任务布置、明确设计任务、查询资料
周一上午8:
30-12:
00
YF137，图书馆
3
查询资料、熟悉实验内容、实验方法分析
周一下午13:
40-17:
机房
有限元模型的建立
周二上午、下午
4
载荷施加和求解
周三上午、下午
5
结果提取、处理和分析
周四上午、下午
6
编写整理实验报告
周五上午
8:
7
分组收取实验报告并抽查提问实验内容
周五下午13:
30-16:
30
KJ227
指导教师：
沈孝芹、周海涛
教研室主任：
目录
一、实验目的........................................................................................................1
二、实验任务........................................................................................................1
三、实验内容........................................................................................................1
四、实验步骤........................................................................................................1
（一）平衡臂的结构设计及参数...........................................................................1
（二）平衡臂材料及参数的选择...........................................................................2
（三）载荷的确定.................................................................................................2
（四）有限元模型的单元类型及单元特点..............................................................2
（五）平衡臂模型的建立.....................................................................................4
（六）边界条件及载荷的处理................................................................................5
（七）计算结果分析及校核...................................................................................6
五、实验总结........................................................................................................10
六、参考文献........................................................................................................15
塔式起重机平衡臂的设计计算及有限元分析
本专题实验借用上一学期现代机械工程基础实验1-金属结构部分的参数和设计成果，采用有限元方法进行设计分析，用ANSYS软件对塔机的起重臂、平衡臂和塔身结构进行模型构建和强度、刚度分析，并与手工计算结果进行对比讨论。
掌握有限元法进行工程实例计算的基本方法和步骤。
三、实验内容：
通过本专题实验周，使学生对基于ANSYS平台用有限元法进行工程实例分析计算有一定的了解与认识。
学生在使用实验过程中，先针对起重机起重臂、平衡臂、塔身等的特点查阅相关文献、书籍、了解ANSYS分析塔机结构的方法，能按照有限元法的基本步骤，先进行模型的合理简化，进行结构模型的创建，完成前处理工作；
其间能与指导教师、同学进行沟通、讨论，寻求最合理的单元选择和模型创建方法，不断的修改模型，直到解决问题。
在求解模块，能在老师指导下进行各种载荷的简化和施加，力求符合工程实际。
之后进行后处理模块工作，提取相应的结构位移、受力结果，绘制内力图、剪力图和弯矩图；
最后，每人都完成一份完整的实验报告书。
整个过程周密有序，有利于学生按时高质完成全部实验任务。
四、实验步骤
（一）平衡臂的结构设计及参数
1、平衡臂长度的确定
根据设计要求及需要，选取平衡臂的长度为L=8m。
2、平衡臂的截面形式
平衡臂多采用格构式等三角形的截面形式。
此次课程设计，上弦杆采用圆钢管，上弦杆采用方管，水平腹杆和斜腹杆采用圆钢管形式。
3、平衡臂的截面尺寸
图4-1
截面高度和宽度是根据强度、刚度、稳定性和构造要求而定。
初定设B=1.4m，H=1m。
（二）平衡臂材料及参数的选择
1、平衡臂的材料选择：
选用Q345B
2、平衡臂为空间格构式结构，内里主要有轴力，弯矩，剪力，可按格构式偏心受压构件计算。
对于上弦杆：
选用钢管，外径D=108mm，壁厚t=8mm。
对于下弦杆：
选用方管，宽度W1=86mm,高度W2=80mm。
对于斜腹杆：
选用钢管，外径D=32mm，壁厚t=8mm。
3、定义单元类型和材料属性
（1）定义单元类型beam188
（2）定义材料属性弹性模量2.1E11（Pa）、泊松比0.3、材料密度7850Kg/m3
（三）载荷的确定
有设计参考书可知：
平衡臂自重
配重重量
起升机构重量
回转惯性力
平衡臂均布风载荷
240KN
1660KN
230KN
18.9KN
90N.m
表4-1
（四）有限元模型的单元类型及单元特点
根据塔机结构的特征，把平衡臂主要杆件处理为梁单元，选择beam188单位进行模拟就可以满足要求。
下面对beam188进行简单的介绍。
三维梁单元beam188。
Beam188单元的节点位置、几何形状、坐标体系如图3-8所示。
三维梁单元beam188。
Beam188单元是一种线性梁单元，它是建立在Timoshenke分析理论基础上的。
Beam188单元增强了单元横截面形状定义功能，用户可以通过相关操作可以定义单元形状，而且还支持自定义功能。
Beanm188单元对于单元的剪切变形也进行考虑。
Beam188单元还改进了梁构件另两维的可视化特性，可以让用户清晰的看到构件各个部位的应力和变形。
Beam188单元对于细长到中等粗细的梁结构的分析都很合适。
Beam188单元默认为6个自由度，当beam188单元的Keyopt
（1）设置为1时增加扭曲幅度自由度，beam188单元的程序默认设置值为0，也就是认为横截面的扭曲幅度足够小到可以忽略。
Beam188单元可以通过参数secdata、secoffset、sectype、secwrite及secread定义横截面，截面与单元用截面ID来关联，截面号是独立的单元属性。
（五）平衡臂模型的建立
1、在ANSYS中依次输入如下关键点编好和坐标，如图5-1。
1（0,0,0）2（1,0,0）3（2,0,0）4（3,0,0）5（4,0,0）6（5,0,0）7（6,0,0）8（7,0,0）9（8,0,0）10（9,0,0）11（10,0,0）12（11,0,0）13（12,0,0）14（0,1.4,0）15（1,1.4,0）16（2,1.4,0）17（3,1.4,0）18（4,1.4,0）19（5,1.4,0）20（6,1.4,0）21（7,1.4,0）22（8,1.4,0）23（9,1.4,0）24（10,1.4,0）25（11,1.4,0）26（12,1.4,0）27（0.5,0.7,1）28（1.5,0.7,1）29（2.5,0.7,1）30（3.5,0.7,1）31（4.5,0.7,1）32（5.5,0.7,1）33（6.5,0.7,1）34（7.5,0.7,1）35（8.5,0.7,1）
36（9.5,0.7,1）37（10.5,0.7,1）38（11.5,0.7,1）39（12,0.7,1）
图4-2坐标图
2、完成关键点输入后建立下面的直线模型，如图5-2。
图4-3直线模型图
3、网格划分
（六）边界条件及载荷的处理
1、边界处理
根据上述结构简化和假设，平衡臂与塔身用销轴和耳板相连，约束三个节点的六个自由度。
2、载荷处理
根据《塔式起重机设计规范》，平衡臂结构分析时，各计算工况考虑平衡臂自重、配重重量、起升机构重量、回转惯性力、平衡臂风载荷。
（1）平衡臂自重：
前面已经设置好了材料的密度，在施加载荷时，设置平衡臂的重力加速度为9.8kg/m2。
（2）配重重量：
按照集中载荷处理，均分施加在下弦杆最左端的四个节点上。
（3）起升机构重量：
按照集中载荷处理，均分施加在下弦杆距离最右端7m处的两个节点上。
（4）回转惯性力：
按照集中载荷处理，均分施加在下弦杆最左端的两个节点上。
（5）平衡臂风载荷：
按照均布载荷处理，施加在上弦杆、下弦杆、水平腹杆和斜腹杆上。
（七）计算结果分析及校核
1、变形云图
图4-4变形云图
图4-5位移云图
由图7-1、图7-2可知，该平衡臂在最大载荷作用下的变形量不满足塔式起重机的设计要求，既总变形量大于塔式起重机的1%左右。
2、轴向内力图
图4-6FX
3、剪力图
图4-7SFZ
图4-8SDIR
4、弯矩图
图4-9MZ
图4-10SBZT
5、支座反力
PRINTREACTIONSOLUTIONSPERNODE
*****POST1TOTALREACTIONSOLUTIONLISTING*****
LOADSTEP=1SUBSTEP=1
TIME=1.0000LOADCASE=0
THEFOLLOWINGX,Y,ZSOLUTIONSAREINTHEGLOBALCOORDINATESYSTEM
NODE
FX
FY
FZ
MX
MY
MZ
0.21304E+07
2373.9
33076.
-731.80
15118.
-186.79
26
-0.90575E+06
45503.
83334.
173.86
8560.5
5001.5
39
-0.12247E+07
-67887.
87617.
-396.30
3899.4
5676.9
VALUE
0.15832E-07
-20010.
0.20403E+06
-954.24
27578.
10492.
表4-2
6、内力列表（部分）
显示单元所受轴向应力和弯矩作用在单元上的应力（剪力忽略）。
ELEM
SDIR
SBYT
SBYB
SBZT
SBZB
MAX
0.84834E+09
0.17745E+08
0.38291E+08
0.11799E+09
0.16869E+08
MIN
-0.58613E+09
-0.38291E+08
-0.17745E+08
-0.16869E+08
-0.11799E+09
表4-3
由表7-2可知，轴向应力SDIR最大值为848.34MPa大于345MPa,由图7-7可知选择的下弦杆的截面尺寸太小了。
弯矩SBYT、SBYB、SBZT、SBZB的最大值均小于345MPa,符合条件。
五、实验总结
本报告基于有限元分析，利用ANSYS软件对塔式起重机塔身进行了有限元分析，得出以下几个结论：
1、塔式起重机的整体能够不能满足要求，但是材料的选择和平衡臂的截面尺寸还存在一定的问题，比如材料的强度选择应该大些，上下弦杆的尺寸选择的大一些。
2、通过一周的认真练习基本熟练掌握了ANSYS软件的基本功能。
七、参考文献
[1]宋剑锋，ANSYS有限元分析[M].中国铁道出版社.
[2]王积永,张青,沈孝芹.起重机械钢结构设计[M].化学工业出版社.
[3]刘鸿文，材料力学[M].高等教育出版社.
[4]刘佩衡，塔式起重机使用手册[M].机械工业出版社.
[5]肖新标，沈火明，叶裕明，赵光明.ANSYS实例分析与应用[M].清华大学出版社.
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