起重机优化设计 毕业设计论文Word文档下载推荐.docx

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设计新型起重机，只需选用不同模块重新进行组合。

可使单件小批量生产的起重机改换成具有相当批量的模块生产，实现高效率的专业化生产，企事业的生产组织也可由产品管理变为模块管理。

达到改善整机性能，降低制造成本，提高通用化程度，用较少规格的零部件组成多品种、多规格的系列产品，充分满足用户需求。

据资料介绍，德马克公司的葫芦双梁起重机系列改用模块化设计后，比单件设计其设计费用下降了12％，自重轻，与国内产品相比较，起重量为32t，跨度25m，国内双梁起重机自重为46．4t，电动葫芦桥式起重机自重为28．3t，而德马克电动葫芦桥式起重机的自重只有18．5t，比国内产品分别轻60％$D35％。

．起重机的大型化、高速化和专用化

出于工业生产规模不断扩大，生产效率日益提高，以及产品生产过程中物料装卸搬运费用所占比例逐渐增加，促使大型或高速起重机的需求量不断增长，起重量越来越大，工作速度越来越高，并对能耗和可靠性提出更高的要求。

目前，世界上最大的履带起重机为德马克公司生产的CC8800—1TWIN，其最大起重量为3200t；

最大的桥式起重机起重量达1200t；

生产率达8000、10000t／h的斗轮堆取料机；

自动化立体仓库巷道堆垛机最大的运行速度达400m／min；

最大的带式输送机带宽达3．2m，输送能力达37500t／h和单机最大输送距离超过30km等。

．起重机性能自动化、智能化和数字化

起重机的更新和发展，在很大程度上取决于电气传动与控制的改进。

将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算技术、微电子技术、电力电子技术、光缆技术、液压技术、模糊控制技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。

大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。

主要由全数字化控制驱动装置、可编程序控制器、故障诊断及数据管理系统、数字化操纵给定检测等设备组成。

变压变频调速、射频数据通讯、故障自诊监控、吊具防摇的模糊控制、激光查找起吊重物重心、近场感应防碰技术、现场总线技术、载波通讯及控制、无接触供电及三维条形码技术等将广泛得到应用，使起重机具有更高的柔性，以适合多批次少批量的柔性生产模式，提高单机综合自动化水平。

1．3国内起重机设计现状及存在的问题

．设计手段不完善、与先进技术结合较少

目前，国内起重机还处于传统设计阶段，设计手段欠完善，与先进的技术结合的也比较少。

不过近些年来随着设计技术的引进、消化、吸收，有了长足的进步，产品的性能、可靠性、外观都有较大幅度的提高，企业也在不断向大规模、系列化方向发展，但国内的起重机在设计技术水平上与国外还有一定差距，这与国内配套力量薄弱不无关系。

所以我们更需要借鉴吸收国外先进技术、采取国际化配套，提高产品起点，并且在设计中结合新的设计理念、方法及手段以满足工业生产方式的转变和用户需求的多样性，以实现产品规模化、系列化和精细化，提高产品生产成本以及质量，增加产品性价比，从而提高企业的核心竞争力。

．设计效率太低、通用性较差

长期以来，起重机设计利用图板手工设计制图，需要较长的设计周期。

而且由于设计及工艺原因，国内制造的起重机交货期约为国外先进企业的两倍，效率较低，远远不能适应市场经济竞争的要求，使企业失掉了不少机遇。

一些起重机制造商对于成系列、成批量的通用起重机产品（如5～50t双梁桥式起重机），为了降低成本，简化生产管理，通用化设计现在只做到对车轮组、滑轮组、卷筒组和联轴器的通用化设计，对于运行机构、小车架，仍只能按不同起重量设计，桥架端梁则按不同起重量，不同小车轨距多款设计，对桥式起重机的设计不能使整机与机构、机构与部件、部件与零件之间的参数合理匹配品。

．设计进行类比，工艺水平较低

在起重机的设计过程中，一方面由于其产品相对定型，根据《起重机设计手册》中推荐的尺寸进行选择，一般工厂设计不做计算，当有相近参数起重机需求时，则选择类比放大，导致截面尺寸变得越来越大，从而起重机的质量、大车驱动机构、厂房基础投资增大，造成很大浪费。

随着起重机向大吨位、高参数、低噪声、小振动及轻型化方向的不断发展，原有定型产品越来越不能适应当前要求，市场需要性能优良，经济性好的桥式起重机。

另～方面，由于国内企业，普遍缺乏生产技术，工艺水平较低，一些起重机生产企业的工装设备、装配及检测手段比较落后，油漆及焊接工艺不过关，较为粗糙，严重影响了起重机的质量。

．专业化协作水平、通用化设计水平较低

目前，我国专业化协作目前只做20％，80％仍靠企业自己设计、制造。

一台起重机中只有电动机、减速器、制动器及一些电气元件可外购，其它铆焊件、机加工件、主梁、车轮组、端梁、小车架仍靠企业自行设计，这样需花费大量的时间，影响了起重机的生产周期。

．CAE的交互式缺乏，推广受到一定限制

CAE是工程设计中的计算机辅助工程CAE（ComputerAidedEngineering），指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。

CAE交互式缺乏最主要的原因是由于对于CAE技术和方法研究比较有限，CAE技术作为一种先进的设计手段和工具逐渐为工程技术人员和设计人员接受和掌握，己经在专业机械设计中发挥着愈来愈大的作用。

然而，随着技术的发展会对CAE技术本身及其应用提出更高更严的要求，国内大型起重机生产企业的CAE设计系统的实际应用及推广任务仍然十分艰巨。

1．4课题的研究价值及意义

门式起重机是广泛使用于港口装卸作业、船厂安装作业及其它生产实际中的一种轨道运行式起重机，其额定起重量从几吨到几百吨，是固定跨间内搬运和装卸物料的机械设备。

门式起重机是减轻笨重体力劳动，提高作业效率，实现安全生产的起重运输设备。

然而，随着现代科技进步、计算机技术的发展及市场竞争的日趋激烈，对起重机的设计质量和效率提出了越来越高的要求，而传统设计中设计的工作量大，设计效率低的情形已经逐渐不能满足现代设计的要求。

所以我们把现代设计方法如：

创新设计方法、可靠性设计方法、最优化设计方法、有限元设计方法、并行设计方法、抗疲劳设计方法等应用于机械产品的设计中，成为广大技术人员提高产品工程设计水平，降低消耗，缩短产品的研究和开发周期，大幅度提高劳动生产率，实现设计智能化和自动化的重要手段。

CAE技术是把计算图形图像处理技术、CAD技术、计算机图形学、仿真、模拟、以及用户接口等学科相互结合而形成的新技术，主要研究如何用直观表示计算或实验获得的各种抽象数据。

运用有限元分析的原理把设计对象、分析过程可视化，使设计更为直观，大大提高设计效率。

本文通过开展门式起重机有限元优化设计技术的研究，可为专业机械CAE软件的研究开发提供先进可靠的技术支持。

将CAE技术应用到专业机械的设计研究中进行可视化设计软件的开发，这样就可以解决：

（1）产品品种、规格及设计制造周期、成本之间的矛盾；

（2）把设计人员从繁琐的设计计算中解放出来，使复杂问题简单化、条理化，减少了重复设计，从而实现了设计的多样化，满足了用户的需求，缩短了设计周期，提高了设计效率和质量以及提高企业的竞争力和技术创新能力；

（3）专业机械的可视化设计能够指导产品设计与开发，提高起重机设计质量、报价速度和水平口；

能最大化的节省材料成本，提高有效利用率。

1．5课题的研究内容和技术路线

本课题主要是以门式起重机为例，利用面向对象的软件开发方法，在Windows平台上，采用有限元分析方法进行门式起重机金属结构优化设计，我们运用了有限元分析优化软件ANSYS，对门式起重机金属结构进行了结构优化。

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,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

该程序具有灵活的动态交互功能。

所谓交互式设计，是指设计者可通过鼠标、键盘选择命令和输入参数，通过点击相应的功能按钮，实现人机交互设计，每一次人机对话都可以实现操作对象及其技术参数的图形显示，设计者可以从计算机屏幕上实时观察到输入和输出结果的图形对象的变化情况，直到比较满意为止。

设计非常方便，明显提高了设计效率；

门机金属结构优化设计的技术路线

本课题以通用门式起重机为研究对象。

在门式起重机设计中，结构部分的设计是一台起重机设计的核心部分，并且结构的好坏直接影响着起重机的性能和使用寿命，所以首先要对门机的结构作合理的分析，建立正确的计算模型，才能对编程及系统

软件的开发奠定良好的基础。

具体的方案如下：

1．对门机结构进行整体分析与规划，确定门机结构的具体尺寸、数据、及结构

2．在ANSYS界面中建立起一个门式起重机的结构模型。

3．在ANSYS优化设计软件系统中，对前面建立好的起重机结构模型进行材料定义和划分网格，并且在正确的位置加上我们计算出来的力。

4.修改生成的LOG文件，对其中的数据进行分析与修改，用于最后的优化。

5.优化，结构分析

在保证门机结构是否符合强度、刚度、稳定性的要求下，ANSYS能建立出一个最优化的结果。

门机金属结构优化软件可以为设计者提供更加逼真的可视化设计环境，并且方便地将计算过程产生的数据及计算结果转换为图形在屏幕上显示出来，具有设计的准确性、过程性和界面的交互性等特点，能方便地看到设计指标的变化，保证企业在得到较大收益的同时可以让用户得到满意的产品，从很大程度上改善设计效率和质量。

第二章：

门式起重机的结构和工作原理

门式起重机广泛用于各种工矿企业、交通运输及建筑施工等部门的露天仓库、货场、车站、码头、建筑工地等露天场所，作为装卸与搬运货物、设备以及建筑构件安装等用。

门机是减轻笨重体力劳动，提高作业效率，实现安全生产的起重运输设备，可以在一定范围内垂直起升和水平移动物品．具有动作间歇性和作业循环性的特点，根据门式起重机的不同用选分为通用门式起重机、造船门式起重机和集装箱门式起重机等。

2．1门式起重机结构分析

2．1．1门架的结构型式

门式起重机的门架常采用板粱结构和桁架结构。

由于板梁结构制造方便．目前采用这种型式的门式起重机占多数，桁架结构多用于装卸桥。

门式起重机按门架的结构特点来分，有全门式（双支腿）、半门式（单支腿）、单悬臂门式、双悬臂门式等按其主梁截面型式，可分为箱形单梁、箱形双梁、桁架双梁，万型截面桁架结构以及三角形桁架结构梁等；

按主粱与支腿的连接方式，门架可分为两刚性支腿门架及一刚性支腿与一柔性支腿门架，柔性支腿与主梁可采用螺栓连接、柱型铰、球型铰连接。

单主梁门架的支腿常制成“L”型或“C”型，其截面型式也为箱形；

双梁门架支腿制成“八”字型或“O”型等。

本课题研究A型双梁门机的设计。

2．1．2门机尺寸参数确定原则

图2-2门式起重机的门架平面

1．门式起重机的跨度和悬臂长度

门式起重机的跨度是指大车行走轨道中心之间的距离。

跨度应根据使用条件和工艺要求而定，普通门式起重机的跨度取18～35m，此时主梁受温度影响及大车运行偏斜的影响相对小，采用刚性支腿，增大水平刚度有利于大车运行。

图2—2中L即为跨度。

为了在增加作业面积的同时，降低主梁自重，用于装卸作业的门式起重机都将主梁两端外伸一定长度，称为悬臂。

门机悬臂的尺寸也取决于使用要求。

悬臂的合理长度应按在自重和活动载荷分别作用下，使悬臂的最大弯矩和跨中弯矩相等的原则确定。

一般取悬臂长度为，=（0．3～0．4）L，也可以根据实际情况的需要选择不做悬臂，不设马鞍。

2．门式起重机的起升高度

门式起重机的起升高度是指吊具升至最高位置时，大车运行轨面至吊具底面的垂直距离，单位m。

起升高度取决于装卸物品的品种和所用的吊具，图2—2中的h即为起升高度。

例如，对于经常装卸竹木和配置抓斗的门式起重机，起升高度就要求大一些。

目前铁路货场所用的门式起重机的起升高度大约在8～15m范围内。

水电站用门式起重机的起升高度约为20m左右。

当选择起升高度时，在满足使用条件的情况下，起升高度应尽可能降低。

因为起升高度大，则自重增加，同时在水平力作用下会增加载荷的摆动，这对轮压的分布会产生不利影响。

3．门式起重机支腿

门式起重机跨度在30m之内时，两侧采用刚性支腿的门架，不考虑轨道的安装误差、起重机的偏斜以及温度变化对门架产生的影响；

当门式起重机跨度大于30m时，门架一侧采用柔性支腿，另一侧为刚性支腿，用于补偿温度变形或者起重机偏斜运行的误差。

无论在温度变形还是起重机偏斜运行的情况下，都允许支腿顶部有一定的变形。

箱型双梁门式起重机的刚性支腿，在门架平面内与主梁连接处的尺寸较宽，一般推荐与主梁高度相同；

下端宽度与横梁的宽度相同。

在支腿平面内的尺寸，根据受力特点和构造要求，通常上端尺寸大，而下端的尺寸小。

上端尺寸根据支腿与主梁的连接来确定。

支腿高度h取决于起升高度。

4．门式起重机主梁截面高度和宽度

主梁截面高度也应根据使用条件和工艺要求而定，门式起重机的主梁高度日和宽度B可按同类型桥式起重机类比确定。

对于箱形结构可取H=（1／15—1／20）L，B=（1／2～1／3）H，采用单箱型主梁时，取B=（2／3～1）H。

当然还要经过强度、刚度验算。

5．门式起重机的轴距

考虑起重机沿大车轨道方向稳定性要求，门式起重机的轴距为（1／4～1／6）Lo，Lo为主梁全长，如图2—2中B即为轴距。

轴距确定的原则：

（1）门架沿起重机大车运行轨道方向上的稳定性好；

（2）物品外形尺寸能顺利地通过支腿平面刚架；

（3）轴距还和跨度有关，比桥式起重机稍大些。

2.2：

起重机的工作原理

起重机（Crane）属于起重机械的一种，是一种作循环、间歇运动的机械。

一个工作循环包括：

取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。

门式起重机整体运行在一定长度的轨道上，由操纵室控制，由大车运行机构执行，可控制起重机整体的横向前后移动。

小车是运行在横梁上的，由操纵室控制，可以实现小车在主梁上的纵向移动。

在主梁的小车上，电动机通过联轴节与减速器的高速轴相连。

机构工作时，减速器的低速轴带动卷筒，将钢丝绳卷入或放出，经过滑轮系统，使吊钩实现上升或下降。

机构停止工作时，制动器使吊钩连同货物悬吊在空中，吊钩的升降靠电动机改变转向来达到。

第三章：

设计方法概述

、现代设计方法简介

随着现代工业的迅速发展和国内外市场竞争的加剧，起重机在现代化生产过程中应用越来越广，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高。

因此起重机的设计计算方法需不断地充实、完善。

使设计出的起重机更符合实际使用工况，更注重功能性、经济性和可靠性。

长期以来，起重机的设计方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经验设计法和类比法、直觉法等传统设计方法，设计过程反复多，周期长，设计的精确度差。

近年来随着电子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、人机工程等现代设计理论的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现,使起重机的设计进入创新、高质量、高效率的新阶段。

现代设计计算方法显著的特点是采用电子计算机这一先进手段，而计算手段的现代化又促进了设计计算理论的重大发展。

起重运输机械金属结构的设计计算不可避免的要涉及空间结构的超静定问题，加上计算工况甚多，应用手算方法实际上难以应付如此复杂的分析和繁重的计算工作量，传统的设计计算方法只能作出各种各样的简化和假定，计算结果与实际情况有较大的出入，不得不加大安全系数给予补偿。

过去由于计算过于繁杂而不能解决的问题，显著借助于电子计算机已不是困难的事了。

利用矩阵进行计算尤便于计算机程序的设计，矩阵理论的发展与电子计算机的结构分析中的应用相得益彰。

应用电子计算机进行结构分析最具普遍意义的方法是有限元法。

有限元法是吧所要分析的弹性体假想滴分割为有限个单元，各单元仅在结点处连接并传递内力，连接应满足变形协调条件。

这个过程称为离散化。

外载荷也以节点载荷的形式出现，吧所有的外力向节点移植。

这样将无限自由度的连续体的力学计算转变为有限单元节点参数的计算，以完成复杂结构的力学分析。

在有限元中，通常的以位移法才求解的。

有限元法的计算精度取决于单元的数量和行政，所以总可以达到所要求的精度。

由于单元数量较多，必然要解数量很多的线性联立方程，这就非用电子计算机不可。

在现代设计理论和方法中，优化设计无疑占有重要地位。

在结构设计的传统方法中，除最简单的构件设计外，都是首先凭借经验和判断，选择和确定结构方案，初选构件的截面尺寸，然后进行强度、刚度和稳定性的校核验算。

对方案的修改或对为数不多的方案进行比较，同样是校核性的。

由于计算工作量庞大，不仅需要花费较多的设计时间，设计周期和畅，事实上只可能做少量的方案比较，结构设计的优劣过大地依赖于设计者的水平和经验，即使是游戏的设计者亦难达到很满意的设计。

从被动地进行安全校核转变为主动的从各种可能的设计方案中寻求尽可能完善或是适宜的方案就是结构优化设计所追究的目标。

自然，要把结构设计人员的经历从繁重的计算工作中解放出来，把主要精力转到优化方案的选择上去，也非依靠电子计算机不可。

自60年代末70年代初，德国，美国日本，俄罗斯等国和我国都开展了桥式起重机主梁优化设计，大多以重量最轻为目标函数。

以后又逐步扩展的桥架、零部件和结构的优化。

但由于起重机是成系列、成批量的产品，单目标优化逐渐已不能，满足设计者的需求，如何寻求多目标多参数，能兼顾多种因素的整体优化方法已经引起世界各国起重机设计者的关心。

我国采用多级模糊综合评判方法，综合考虑起重机性能、成本、工艺、生成管理、制造批量和使用维护等多种因素，达到用最少规格数的零部件组成尽可能多的起重机规格型号数，解决了起重机系列整体优化问题，驱动了一定效果。

今后在起重机的方案选择、主参数匹配、主要结构件及传动件的设计及布置等方面，将会等多地采用优化设计方法。

结构优化设计的理论和方法，基本上可以归结为两大类：

第一类是准则方法，它是从结构力学的原理出发，首先选定使结构达到最优的准则（例如满应力准则、能量准则），而后根据这些准则寻求结构的最优解（例如重量最轻设计）。

结构的现代设计还有另一方面的重要内涵，即设计原理的革新。

由电子计算机的应用引起的有限元法及优化设计等还只是手段和方法上的革新。

归根结底，结构及其构件是否安全可靠（有足够的强度和稳定性）、满足使用要求（静刚度和动刚度）的判断依据更具有基础性的意义，这是设计原理所要解决的而不是用手段和方法可以代替的问题。

由于实际结构的载荷、材料的质量和制造质量都具有随机性，因此只有应用概率论才能更真实的描述和反映结构的有效性。

所以当前结构设计原理的发展趋势是采用以概率论为基础的极限状态设计法。

无疑的是，以概率论为基础的极限状态设计法是起重机金属结构设计的方向。

、极限状态计算方法

起重机金属结构必须满足两种极限状态：

第一种极限专题是在第

类和第

类最大载荷作用下，或在起重机使用寿命间期第

类载荷重复作用下，金属机构构件丧失强度和稳定性的承载能力；

第二种极限状态时由于过大的弹性变形或振动，影响起重机的作业和工作人员的安全，导致起重机不能正常使用。

起重机钢结构长期采用的是许用应力设计法。

材料假定为均匀的弹性体，使用载荷设为不变的定值，材料许用应力等于钢材屈服强度除以经验安全系数。

实际上设计中存在很多不定性因素，如应力、材料强度、起重机承受载荷的大小、方向、位置等都是随机变化的。

所以安全系数并不能按量反映产品的可靠程度，有时会出现过分保守或较为不安全的情况。

由于载荷不能准确确定，起重机设计难免冒一定风险，所以应把这种风险（或失效概率）限制到人的经验能受的程度。

为了明确允许风险程，国家在80年代初把概率论、数理统计、可靠性理论等学科技引进到起重机的设计中，出现了以概率统计法为基础的起重机极限状态设计法，把载荷、材料性质、构件实际尺寸等均看作基于某种概率分布的统计量，通过大量实测与调查得到各基本变量的分布概率及参数，然后应用概率论可靠性知识，计算失效的概率（风险大小）来估计起重机钢结构的安全度。

起重机的设计从定值许用应力法发展到概率极限状态设计法是设计理论的重大发展。

、按许用应力法计算结构的强度

许用应力法属于定值法。

应用简单方便，是目前起重机金属结构仍然采用的计算方法，但其安全系数取为定值是其不足之处。

通过一系列的计算需要满足最大应力小于等于许用应力。

、按许用应力法计算结构的疲劳强度

起重运输机金属结构承受着动载荷，杆件或构件的内力随起升载荷的大小及位置经常变化。

在变化内力的作用下，结构杆件的材质将会改变，其强度比在静载荷作用时有所下降。

起重运输机金属结构大都是焊接结构，接头的应力集中也会降低焊缝的强度。

因此，对某些工作级别比较高的起重运输机金属结构，虽然外载荷引起杆件的应力没达到强度极限，但却发生了破坏，这种破坏称为疲劳破坏。

疲劳破坏是一种突然出现的脆性破坏，破坏前没有明显变形和局部收缩，因而这种破坏更为危险。

理论和实践都表明，引起疲劳破坏的原因，与杆件应力大小、应力种类、应力循环特性、应力循环次数、应力集中的程度等因素有关。

主要是对下列几方面进行计算

．应力循环特性r的计算

．疲劳许用应力计算

.结构疲劳强度计算

、结构刚度计算

对起重机的刚度要求是为了保证起重机的正常使用。

刚度计算一般分为静态和动态两个方面。

在计算时候需用结构静位移小于等于结构许用静位移；

满载自振频率大于等于满载自振频率许用值。

、结构稳定性计算

第四章：

有限元及优化设计概述（利用ANSYS软件进行优化）

有限元法师根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，随着计算机的发展，在工程领域得以广泛应用。

一般传统设计计算方法局限性很大，仅能进行粗略简