龍門吊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、東北石油大學(xué)課程設(shè)計(jì)課程桁架結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)題目龍門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)院機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)工程力學(xué)14-1班學(xué)生某某蔣婷學(xué)生學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師李治淼2016年7月22日第1章1.11.2第2章2.12.22.32.42.5第3章3.13.23.3第4章4.14.24.34.4第5章5.15.2第6章概述制作龍門吊的目的與意義 1選題背景 1制作要求2整體要求 2模型要求 2加載方式 3失效評(píng)比 4模型材料與工具 4設(shè)計(jì)說(shuō)明桁架說(shuō)明結(jié)構(gòu)說(shuō)明節(jié)點(diǎn)說(shuō)明龍門吊靜力學(xué)計(jì)算7龍門吊靜力分析力學(xué)模型 7 龍門吊內(nèi)力計(jì)算 9 龍門吊應(yīng)力計(jì)算10龍門吊位移計(jì)算11龍門吊穩(wěn)定性計(jì)算11龍門吊穩(wěn)定性分析模型 13

2、穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析13總結(jié)14第1章概述1.1制作龍門吊的目的與意義龍門吊主要用于室外的貨場(chǎng)、料場(chǎng)貨、散貨的裝卸作業(yè)。它的金屬結(jié)構(gòu)像 門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩 端可以具有外伸懸臂梁。它的種類有很多，按門框結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為門式 起重機(jī)和懸臂門式起重機(jī)。其中門式起重機(jī)具有場(chǎng)地利用率高、作業(yè)X圍大、適應(yīng)面廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在港口貨場(chǎng)得到廣泛使用。確保它的強(qiáng)度、剛 度、穩(wěn)定性等，是能夠安全應(yīng)用于實(shí)際生活中的前提。1.2選題背景龍門式起重機(jī)gantry crane是橋式起重機(jī)的一種變形，俗稱龍門吊、龍 門起重機(jī)。龍門式起重機(jī)是門式起重機(jī)的象形說(shuō)法。主要用

3、于室外的貨場(chǎng)、料 場(chǎng)貨、散貨的裝卸作業(yè)。整體結(jié)構(gòu)像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可 以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。龍門式起重機(jī)具 有場(chǎng)地利用率高、作業(yè) X圍大、適應(yīng)面廣、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，在港口貨場(chǎng)得到 廣泛使用。如圖1.1所示的桁架梁式龍門起重機(jī)是由角鋼或工字鋼焊接而成的，優(yōu)點(diǎn) 是造價(jià)低，自重輕，抗風(fēng)性好。但是由于焊接點(diǎn)多和桁架自身的缺陷，桁架梁 也具有撓度大，剛度小，可靠性相對(duì)較低，需要頻繁檢測(cè)焊點(diǎn)等缺點(diǎn)。適用于 對(duì)安全要求較低，起重量較小的場(chǎng)地。圖1.1單梁桁架門式起重機(jī)第2章制作要求2.1整體要求使用竹條和膠水制作一龍門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)，下部具有至少長(zhǎng)600m m

4、,寬350mm的立面空間，將在頂部梁的中央懸掛加載配重，要求結(jié)構(gòu)在此工況下不 發(fā)生破壞。模型采用竹條材料制作，模型制作自行安排時(shí)間地點(diǎn)來(lái)進(jìn)展，材料與工具 自備。2.2模型要求模型在重力作用下與加載平面接觸，此時(shí)模型的正面投影應(yīng)在如圖2.1所示陰影X圍之外。在加載平面上有一 600mm*350mm的矩形區(qū)域，該區(qū)域不能 有任何構(gòu)件。該矩形區(qū)域緊貼加載平面，之間沒(méi)有縫隙，矩形區(qū)域下部不能有 拉條等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。圖2.1限定X圍與加載示意圖我們將準(zhǔn)備一個(gè)的外輪廓投影大小剛好是600mm*350mm的檢測(cè)用長(zhǎng)方體。長(zhǎng)方體將在模型驗(yàn)收時(shí)推入該區(qū)域，如果無(wú)法推入如此視為模型不符合要 求。拎刪用丘方體圖22下部

5、凈空間與撓度檢查示意圖2.3加載方式模型直接放置在加載平面上，加載平面是水平的。模型與加載平面相互獨(dú) 立，不能粘接。加載平面上將放置一 XA0圖紙，以保證結(jié)構(gòu)與加載平面之間有 一個(gè)統(tǒng)一的摩擦系數(shù)。模型加載采用懸掛重物的方式進(jìn)展加載，力F的方向豎直向下。如圖 2.1所示，加載位置是正面投影矩形限制區(qū)域的中線位置。模型的高度、長(zhǎng)度、跨 度以與具體的結(jié)構(gòu)形式均不做任何限制，只要保證如圖2.2所示符合撓度檢查要求即可?？梢猿霈F(xiàn)如圖 2.1所示的不對(duì)稱情況，變截面、變高度、變寬度、 梁式結(jié)構(gòu)、X拉結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)等等都是允許的。模型必須保證掛鉤能順利掛在模型加載位置，需根據(jù)掛鉤對(duì)加載點(diǎn)進(jìn)展設(shè)

6、計(jì)，保證掛鉤順利懸掛。結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能妨礙懸掛掛鉤和配重，如果出現(xiàn)不能實(shí) 現(xiàn)加載，無(wú)法記錄成績(jī)的問(wèn)題，責(zé)任自負(fù)。所使用掛鉤如圖2.3所示的膨脹螺栓吊鉤。圖2.3加載掛鉤2.4失效評(píng)比模型在進(jìn)展加載時(shí)，模型的失效分為局部失效和整體失效。出現(xiàn)如下任一情形 如此判定為模型整體失效，不能繼續(xù)加載，成績(jī)記為零分：1在加載階段，整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)垮塌或側(cè)倒，無(wú)法完成加載。2出現(xiàn)違反規(guī)定的其它狀況，具體由評(píng)委討論決定。出現(xiàn)如下情形判定為局部失效：1整體沒(méi)有破壞，但模型出現(xiàn)明顯的變形，構(gòu)件發(fā)生過(guò)大的撓度，導(dǎo)致 掛上重物后無(wú)法推入長(zhǎng)方體的情況。2出現(xiàn)違反規(guī)定的其它狀況，具體由評(píng)委討論決定。2.5模型材料與工具1竹材：用于

7、制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件，自行購(gòu)置。竹材規(guī)格見(jiàn)表2-1 o2502膠水：用于模型結(jié)構(gòu)件之間的連接，自備 502膠水。3制作工具：自行攜帶制作工具，可以對(duì)材料進(jìn)展任意機(jī)械加工切、 削、剪、磨等均可，但不能改變材料的力學(xué)性能。表2-1 竹材規(guī)格序號(hào)竹材規(guī)格1900*3*2mm2900*3*3mm3900*3*6mm4900*1*6mm5900*2*2mm注：竹材力學(xué)性能參考值彈模量1.0 X04MPa，抗拉強(qiáng)度60MPa1ELEMENTSUROTNFORNMOMRFORRMOM圖3.1 支座模型圖在結(jié)構(gòu)外形的選擇方面，考慮到起重機(jī)要承受較大的向下壓應(yīng)力撓度不易第3章設(shè)計(jì)說(shuō)明3.1桁架說(shuō)明本次桁架設(shè)計(jì)為龍門吊結(jié)

8、構(gòu)，整個(gè)模型包括橫梁與其中間組成局部、支座兩大局部。主要來(lái)進(jìn)展整個(gè)橫梁與支座的設(shè)計(jì)與制作，并通過(guò)502膠水將各結(jié)構(gòu)相互連接，整體采用竹木條材料制作。3.2結(jié)構(gòu)說(shuō)明龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)不僅承當(dāng)豎向靜荷載，而且需承受一定量的彎矩，在重物 作用的情況下具有足夠的剛度，且不發(fā)生破壞。對(duì)于結(jié)構(gòu)形式與造型而言，只 要滿足相關(guān)控制點(diǎn)的要求，對(duì)塔架體系以與外形的選擇不限，這為設(shè)計(jì)方案的 選擇提供了較大的余地。在結(jié)構(gòu)選型過(guò)程中分別從結(jié)構(gòu)體系與結(jié)構(gòu)外形兩方面 進(jìn)展了分析。在結(jié)構(gòu)體系的選取方面，由于拱形結(jié)構(gòu)能將力傳遞到兩端，能承 受較大的彎矩作用，而不至于折斷，且傳力最為直接、高效，非常適用于拱形 梁結(jié)構(gòu)。過(guò)大，所以橫梁

9、應(yīng)采用中間高，兩端低的模型，這樣既 可以省材料，又能保證撓度不大，而拱形是滿足此要求, 并且有很大的抗壓能力，而底座承受更大的壓應(yīng)力，所 以揉度不易過(guò)大，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)，最終采用了如圖 3.1此種結(jié)構(gòu)的底座，此結(jié)構(gòu)有較大的硬度與剛度，可 以完全承受所要求的重量，而梁與底座的接觸點(diǎn)采用面 接觸，因撓度不大，所以接觸點(diǎn)只是簡(jiǎn)單地連接即可， 由于力分散到左右兩個(gè)支座，所以兩邊的彎曲會(huì)很大， 因此將兩個(gè)支座設(shè)計(jì)為由多個(gè)三角形構(gòu)成的形式。三角 形的結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性不易變形抗壓，抗彎的能力均較 強(qiáng)，因此可以很好的分擔(dān)梁的受力，給梁以支撐的作用。 截面采取 L'型結(jié)構(gòu)，讓結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)好地連接，防 止

10、開(kāi)膠。3.3節(jié)點(diǎn)說(shuō)明起重機(jī)結(jié)構(gòu)中包含較多節(jié)點(diǎn)，竹子構(gòu)件在這些節(jié)點(diǎn)處的連接均采用膠水粘 結(jié)，為貼合連接節(jié)點(diǎn)。這里列出了三種典型的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造形式，如圖3.2所示，包括粘合節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) A、橫梁頂部與塔架之間的節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) B、塔架 與橫梁中部之間的節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn) C。塔架的主干與主干之間還連有細(xì)桿，以確 保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。A節(jié)點(diǎn)使用搭接和粘接的組合方式，可以使起加固作用的連接桿承受一定 的拉力而不會(huì)斷開(kāi)。B節(jié)點(diǎn)，保證十分穩(wěn)固，不僅節(jié)省材料，也滿足要求。C節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)采用最簡(jiǎn)單的連接方式，用于此處不僅可以提高強(qiáng)度，還能 提高其穩(wěn)定性。B節(jié)點(diǎn)粘接方式C節(jié)點(diǎn)粘接方式圖3.2各節(jié)點(diǎn)粘接方式第4章龍門吊靜力學(xué)計(jì)算4.1龍門吊

11、靜力分析力學(xué)模型本次設(shè)計(jì)的桁架結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)610mm,總高380mm。運(yùn)用學(xué)過(guò)的材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)展力學(xué)分析與計(jì)算。在ANSYS中，采用Beam188梁?jiǎn)卧x散，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)每一段在其中都被打斷，所以在mesh的時(shí)候每一段只劃分了兩段，如圖 4.1所示1ELEMENTSANSYSR1列JUL 16 2016圖4.1 整體模型圖這個(gè)結(jié)構(gòu)總共有324個(gè)單元，300個(gè)節(jié)點(diǎn)，在支座兩端施加全約束，在梁上 最中間處，即截面為6*6mm中間處施加FY=100N的力。在保證滿足承載的情況下，我們希望它的質(zhì)量盡可能的小，因此我們對(duì)我們使用的材料以與主要截面做出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)，如表4-1所示。其

12、中四種主要截面分別如圖4.2、4.3、4.4所示。表4-1竹條用料統(tǒng)計(jì)表竹條橫截面積/mm2桁架的體積mm3竹條的根數(shù)3*6*2*11220026*142*233*23圖4.2截面1圖4.3截面24.2龍門吊內(nèi)力計(jì)算通過(guò)軸力圖與彎矩圖來(lái)分析局部受力情況，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。據(jù)圖4.6可知彎矩最大處發(fā)生在最中間兩根桿處，原因是中間承重桿所受力向兩邊傳遞，導(dǎo)致邊上兩根桿受力最大。1LINE STRESSSTEP=1JUL 16 2016:30093SUB =1TIME=1MYI MYJMIN =-277.283ELEM=99MAX =134.394ELEM=307/-277.283-231

13、.541-185.799-94.3154-2.83166-140.057-48.573542.910288.6521134.394圖4.6彎矩圖根據(jù)圖4.7分析得知，梁上兩根桿一邊受壓，一邊受拉，軸力最大處發(fā)生在這兩根桿的中間處。圖4.7軸力圖ANSYSR巧*0JUL 16 201609:14:02-49.1746-24.6396-36.9071-12.3721-.10465224.430348.965312.162836.697861.2328龍門吊應(yīng)力計(jì)算竹條的強(qiáng)度是衡量結(jié)構(gòu)能否承受100N的力的關(guān)鍵因素之一，需要進(jìn)展應(yīng)力計(jì)算，如圖4.8是該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析圖1NODAL SOLUTIONS

14、TEP=1SUB =1TIME=1SX (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMN =-49.1746SMX =61.2328ANSYSR15.0JUL 16 201623:09:25SEQV (AVG)DMX =5.24284SMX =61.28圖4.8 X軸應(yīng)力圖如圖4.9所示，為第三強(qiáng)度理論應(yīng)力分析結(jié)果，最大應(yīng)力為61.28MP&1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=113.617827.235540.853354.47116.8088920.426734.044447.662261.28圖4.9等效應(yīng)力4.4龍門吊位移計(jì)算所設(shè)計(jì)符合應(yīng)力條件之

15、外, 為X方向的位移圖。如下列圖,X、丫方向的位移也不能超過(guò)一定值，圖4.10X方向的最大位移為1.173mm.1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1ANSYSJUL 16 2016TIME=123:19:50UX (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMN =-1.10557SMX =1.17285-1.10557-.599257-.852415-.3461-.092942.160215.413373.66653.9196881.17285圖4.10 X方向位移圖如圖4.11所示，為該結(jié)構(gòu)丫方向的位移圖，在丫方向的最大位移為4.65mm.1NODAL SOLUTIO

16、NSTEP=1ANSYSR15.0SUB =1JUL 16 2016TIME=109:06:47UY (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMN =-4.65373SMX =.132E-04-4.65373-3.61956-2.5854-1.55123-.517069-4.13665-3.10248-2.06832-1.03415.132E-04圖4.11 Y方向位移圖如圖4.12所示，為該結(jié)構(gòu)的總位移圖,1NODAL SOLUTIONSTEP=1ANSYSR15.GSUB =1TIME=1JUL 16 201623:20:11USUM (AVG)RSYS=0DMX =5.24284

17、SMX =5.242841.165082.330153.495234.6603.5825381.747612.912694.077765.24284圖4.12總位移圖如圖4.13所示，為局部放大的最大位移圖,1ANSYSR15.GNODAL SOLUTIONSTEP=1JUL 16 201623:34:42=5.24284=5.242E=1 JM (AVG)Ys=001.165082.330153.495234.6603.5825381.747612.912694.077765.24284圖4.13總位移局部放大圖據(jù)圖可見(jiàn)，該結(jié)構(gòu)的變形量最大達(dá)到 5.24mm,其中最大變形處發(fā)生在中間承重 桿

18、附近。第5章龍門吊穩(wěn)定性計(jì)算5.1龍門吊穩(wěn)定性分析模型穩(wěn)定性分析也是判斷結(jié)構(gòu)能否承載成功的因素之一，特征值屈曲分析施加 的載荷為100N，支座兩端施加的全約束。特征值屈曲分析用于預(yù)測(cè)一個(gè)理想彈性結(jié)構(gòu)的理論屈曲強(qiáng)度，通過(guò)特征值 屈曲分析我們可以獲得極限載荷，能夠?qū)ξ覀冏龅慕Y(jié)構(gòu)有一個(gè)更清楚的分析。5.2穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析為了使結(jié)構(gòu)能夠保證不失穩(wěn)，我們做了特征值屈曲，結(jié)果如表5-1如下:表5-1SETTIME/FREQLOAD STEPSUBSTEPCUMULATIVE2112121221222223123232412424第6章總結(jié)本組成員有：王久亮、尚文博、陳開(kāi)放和蔣婷，最終選取蔣婷的模型進(jìn)展模型 制作。通過(guò)以上對(duì)該結(jié)構(gòu)的分析得出結(jié)論：1在X方向的應(yīng)力為61MPa,根本符合強(qiáng)度要求。25mm，總位移為5.24mm，變形并不大，也根本符合要求。33,得出總質(zhì)量為g，失穩(wěn)載荷為133.7N,即在F=133.7N時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)。 而要求只承受100N即可，理論上該結(jié)構(gòu)是合格的。據(jù)圖 5.1，失穩(wěn)最嚴(yán)重的還 是支座。經(jīng)過(guò)近兩周的準(zhǔn)備，歷經(jīng)方案設(shè)計(jì)、模型修正一直到最終這個(gè)尚未成型的 作品，雖然還不完美，但是凝聚了我們組員的心血。1由三角型橫梁結(jié)構(gòu)，加以想象設(shè)計(jì)，最終采用的方案