液壓克令吊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件靜動(dòng)態(tài)分析（可編輯）

1、 學(xué)校代碼: 10289 分類號: th213 密 級: 公 開 學(xué) 號: 092020051液壓克令吊結(jié)構(gòu)江蘇科技大學(xué) 設(shè)計(jì)及關(guān)碩 士 學(xué) 位 論 文 鍵部件靜動(dòng)液 壓克令 吊結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì) 及關(guān) 鍵部件 態(tài)分靜 動(dòng)態(tài)分 析 析 范曉衛(wèi)研究生姓 名范曉衛(wèi)導(dǎo)師姓 名佘建國申請學(xué)位類別工學(xué)碩士學(xué)位 學(xué)位授予單位 江蘇科技大學(xué)學(xué) 科 專 業(yè) 機(jī) 械設(shè)計(jì)及理論 論文提交 日期 2012 年4 月28 日江研 究 方 向 現(xiàn)代機(jī) 械系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)及蘇論文答辯日期2012 年5 月30 日 性能評價(jià) 科技答辯委員會主席 評閱人大學(xué)2012 年 5 月 28 日 分類號 :th213 密 級: 公 開 學(xué) 號:

2、 092020051 江蘇科技 大學(xué) 碩士 學(xué)位論文液 壓克令 吊結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì) 及關(guān) 鍵部件 靜 動(dòng)態(tài)分 析 學(xué)生姓名 范曉衛(wèi) 指導(dǎo)教師 佘建國 教授江蘇科技 大學(xué) 二 o 一二 年 五月 a thesis submitted in fulfillment of the requirementsfor the degree of master of engineeringstructural design of hydraulic crane and static and dynamic analysis of the key parts submitted byfan xiaoweisuper

3、vised byprofessor she jianguojiangsu university of science and technologymay, 2012江 蘇 科技 大 學(xué)學(xué) 位 論文 原 創(chuàng)性 聲 明本人鄭重聲明:所呈交的學(xué)位論文,是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下,獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外,本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體,均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意 識到本 聲 明的法律 結(jié)果由 本 人承擔(dān)。 學(xué)位論文作 者簽名 : 年月日 江 蘇 科技 大 學(xué)學(xué) 位 論文 版 權(quán)使 用 授權(quán) 書本學(xué)位論

4、 文作者完 全了解學(xué) 校有關(guān)保 留、使用 學(xué)位論文 的規(guī)定 ,同意學(xué)校 保留并向 國家有關(guān) 部門或機(jī) 構(gòu)送交論 文的復(fù)印 件和電子 版 ,允許論文 被查閱和 借閱。本 人授權(quán)江 蘇科技大 學(xué)可以將 本學(xué)位論 文 的全部或部 分內(nèi)容編 入有關(guān)數(shù) 據(jù)庫進(jìn)行 檢索,可 以采用影 印、縮印 或 掃描等復(fù)制 手段保 存 和匯編本 學(xué)位論 文 。本學(xué)位論 文屬于 : 1保密,在年解密后 適用本 授 權(quán)書。 2 不 保密 。學(xué)位論文 作者簽 名 :指導(dǎo)教師 簽名: 年月日 年月日摘 要 摘 要 液 壓 克 令 吊 是 船 舶 上 普 遍 使 用 的 一 種 裝 卸 貨 設(shè) 備 , 在 額 定 的 載 荷 下

5、 可 以 實(shí) 現(xiàn) 起升、 變幅和回轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng), 具有結(jié)構(gòu)緊湊、 操作簡單、 裝卸效率高等特點(diǎn)。 本文針對散貨船 35t/30m 液壓 克 令吊 進(jìn)行設(shè)計(jì), 在整體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上, 根據(jù) 液壓克令吊的受力特點(diǎn), 對關(guān)鍵部 件吊臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析以及模態(tài)分析 , 并對 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真 ,為同類型產(chǎn)品的開發(fā)提供了一定的指導(dǎo)。 論文主要研究了以下內(nèi)容: 1. 根 據(jù) 液 壓 克 令 吊 的 主 要 設(shè) 計(jì) 參 數(shù) , 確 定 了 整 體 設(shè) 計(jì) 方 案 , 對 液 壓 克 令 吊 的 起升機(jī) 構(gòu)、 變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 等進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 并應(yīng)用 solidworks 軟件建立了整機(jī)

6、的三維模型。 2. 應(yīng)用 有限元分析軟件 ansys 對主要受力部件吊臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析, 得到了吊臂在最大工作半徑、 最小工作半徑兩個(gè)極限工況下 的應(yīng)力和位移分布規(guī)律, 證明吊臂的強(qiáng)度和剛度 均滿足要求。 3. 應(yīng)用 有限元分析軟件 ansys 對吊臂進(jìn)行有限元模態(tài)分析, 提取 了吊臂的前十階固有頻率, 繪制出相應(yīng)的振型圖, 并計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)、 卷筒振動(dòng)及貨物偏擺 等引起的工作頻率, 證明 不會發(fā)生共振現(xiàn)象。 4. 應(yīng)用 動(dòng)力學(xué)仿真軟件 adams 對液壓克 令吊回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真, 研究回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在最大工作半徑起吊額定載荷工況下 ,貨物對吊臂頭部動(dòng)載荷的變化規(guī)律,為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定的理論

7、依據(jù) 。關(guān)鍵詞 液壓克令吊 ;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);有限元分析; 動(dòng)力學(xué)仿真iii abstract abstract hydraulic crane is a loading and unloading equipment on a ship, which can achieve hoisting, luffing and slewing in the rated load. it has many advantages, such as compact structure, simple operation and high efficiency of loading and unloading. t

8、he article did a design for 35t/30m hydraulic crane used on bulk carriers. on the basis of overall design, the article made the static analysis and modal analysis of crane boom, then finished the dynamics simulation about the slewing mechanism. these can provide guidance for the development of simil

9、ar productsthe main research work contains: 1. according to the design parameters of the hydraulic crane, we decided the overall programme. then we carried out a detailed structural design of hydraulic crane s hoisting mechanism, luffing mechanism and slewing mechanism. besides we established the th

10、ree dimensional model of the hydraulic crane by solidworks2. the boom s static analysis in the imum and minimum working radius conditions was finished by ansys, we got the distributional regularities of stress and displacement under two work conditions. the results showed that the boom s strength an

11、d stiffness met the requirements3. the boom s modal anaysis was finished by ansys. we extracted foremost 10-order type vibrational frequency and reaction of the boom. then we calculated the working frequencies caused by the engine s vibration, the cargo s deflection and so on. the comparing result p

12、roved that the resonance phenomenon won t happen4. the dynamics simulation about the crane s slewing mechanism was finished by adams. we studied the dynamic load s variation in the condition of the imum working radius and lifting the rated load. the simulation result can provide theoretical basis fo

13、r the design of slewing mechanismkeywords hydraulic crane; structural design; finite element analysis; dynamics simulationiii iv 目 錄 目 錄 摘 要 i abstract. iii 第 1 章 緒論. 1 1.1 課題研究的背景及意義1 1.2 國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 2 1.3 本文研究內(nèi)容 7 1.3.1 主要研究內(nèi)容 7 1.3.2 章節(jié)安排7 1.4 本章小結(jié)8 第 2 章 基本理論9 2.1 有限元基 本理論9 2.1.1 彈性力學(xué)基本方程. 9 2.

14、1.2 有限元分析的基本原理 11 2.1.3 有限元分析的求解過程 11 2.2 模態(tài)分析理論. 13 2.2.1 概述13 2.2.2 模態(tài)分析理論基礎(chǔ)13 2.3 動(dòng)力學(xué)理論14 2.3.1 概述14 2.3.2 多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)14 2.3.3 多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)15 2.3.4 多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程求解17 2.4 本章小結(jié) 19 第 3 章 液壓克令吊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 20 3.1 概述20 3.2 作業(yè)條件和主要技術(shù)參數(shù)20 3.2.1 作業(yè)條件 20 3.2.2 主要技術(shù)參數(shù). 20 3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3.3.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理. 21 3.3.2 起升機(jī)構(gòu) 21 3.3.3

15、變幅機(jī)構(gòu) 24 3.3.4 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 27 3.3.5 金屬結(jié)構(gòu) 31 3.3.6 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 33 3.4 液壓克令吊的裝配體模型34 3.5 本章小結(jié) 35v 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 第 4 章 吊臂結(jié)構(gòu)靜力分析36 4.1 ansys 簡介. 36 4.2 計(jì)算對象 36 4.3 有限元模型37 4.3.1 模型的簡化及網(wǎng)格劃分 37 4.3.2 材料性能參數(shù). 37 4.3.3 計(jì)算工況 38 4.3.4 加載方法與約束處理. 38 4.4 評定標(biāo)準(zhǔn) 39 4.5 計(jì)算結(jié)果及分析 39 4.5.1 工況 1 計(jì)算結(jié)果及分析 39 4.5.2 工況 2 計(jì)算結(jié)果及分析 41 4.6

16、本章小結(jié) 42 第 5 章 吊臂結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析43 5.1 模態(tài)提取方法. 43 5.2 模態(tài)振型圖和固有頻率表44 5.3 工作頻率計(jì)算. 50 5.4 計(jì)算結(jié)果分析. 51 5.5 本章小結(jié) 51 第 6 章 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真. 52 6.1 adams 簡介 52 6.2 鋼絲繩建模53 6.2.1 鋼絲繩建模的常用方法 53 6.2.2 采用軸套力建立起升鋼絲繩模型53 6.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真. 55 6.3.1 建立金屬結(jié)構(gòu)模型55 6.3.2 添加約束 56 6.3.3 添加載荷和驅(qū)動(dòng) 56 6.3.4 虛擬樣機(jī)模型. 57 6.3.5 仿真結(jié)果及分析 57 6.4 本章

17、小結(jié) 58 總結(jié)與展望. 59 參考文獻(xiàn)61 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 64 致謝. 65vi contents contents abstract chinese. i abstract englishiii chapter 1 preface. 1 1.1 background and significance of the reserach1 1.2 current research status. 2 1.3 research contents and chapters arrangement of the thesis 7 1.3.1 research contents7 1.

18、3.2 chapter summary7 1.4 brief summary. 8 chapter 2 basic theory9 2.1 the basic theory of finite element. 9 2.1.1 basic equations of elastic mechanics9 2.1.2 basic principles of finite element analysis. 11 2.1.3 procedure of finite element analysis. 11 2.2 theory of modal analysis. 13 2.2.1 summary.

19、 13 2.2.2 theoretical foundation of modal analysis13 2.3 dynamics theory14 2.3.1 summary. 14 2.3.2 multi-rigid body dynamics analysis system14 2.3.3 multi-flex body dynamics analysis system 15 2.3.4 keys to dynamic equations. 17 2.4 brief summary19 chapter 3 design of hydraulic crane. 20 3.1 summary

20、20 3.2 work condition and main technical parameters 20 3.2.1 work condition. 20 3.2.2 main technical parameters20 3.3 design of structure21 3.3.1 structure and operation principle 21 3.3.2 hoisting mechanism21 3.3.3 luffing mechanism. 24 3.3.4 slewing mechanism 27 3.3.5 metal structure31 3.3.6 desig

21、n of system. 33 3.4 assembly model of hydraulic crane 34 3.5 brief summary35vii 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 chapter 4 static analysis of the boom36 4.1 introduction of ansys 36 4.2 object of analysis 36 4.3 finite element model. 37 4.3.1 simplified model and meshing. 37 4.3.2 property parameter of material. 37 4

22、.3.3 analysis in working conditions 38 4.3.4 loads and boundary conditions38 4.4 evaluation standard 39 4.5 calculation results and analysis 39 4.5.1 calculation and result analysis of first working condition. 39 4.5.2 calculation and result analysis of second working condition41 4.6 brief summary42

23、 chapter 5 modal analysis of the boom. 43 5.1 extract methods of modal 43 5.2 mode of vibration and natural frequency 44 5.3 calculation of working frequency50 5.4 calculation and result analysis. 51 5.5 brief summary51 chapter 6 dynamics simulation of slewing mechanism 52 6.1 introduction of adams5

24、2 6.2 build wirerope model 53 6.2.1 common modeling methods of wirerope 53 6.2.2 build wirerope model by bushing53 6.3 dynamics simulation of slewing mechanism 55 6.3.1 build structure model 55 6.3.2 add constraint56 6.3.3 add load and drive. 56 6.3.4 virtual prototype model57 6.3.5 analysis of simu

25、lation result. 57 6.4 brief summary58 conclusions and prospects 59 references61 enunciable academic paper during master education 64 acknowledgement. 65viii 第 1 章 緒論 第 1 章 緒論 1.1 課題研究的 背景 及 意義 隨著我國經(jīng)濟(jì) 建設(shè)的發(fā)展, 內(nèi)外貿(mào)易量不斷增加, 從而使海上運(yùn)輸和內(nèi)河運(yùn)輸量迅速地 增長。 為了適應(yīng)形勢發(fā)展的需要, 我們 應(yīng)不斷增加船舶的數(shù)量, 但同時(shí)也應(yīng)該提高裝卸貨物的效率,充分發(fā)揮船舶 的運(yùn)輸能力,提高經(jīng)濟(jì)

26、效益。 為了提高貨物的裝卸效率, 不同類型的船舶通常采用不同的裝卸貨物方式。 例如:礦砂船、 煤船及裝谷物等散貨船一般有專門的碼頭和設(shè)施, 但有時(shí)候它也需要在開闊水面進(jìn)行過駁, 所以這類船舶必須安裝各種類型的船用起重機(jī)。 目前大多數(shù)貨物是成捆、 成袋、 成箱的包裝貨物, 這類貨物通常用干貨 船來運(yùn)輸, 所以為了便于進(jìn)行裝卸貨物工作,要求干貨船也安裝各種類型的 起重機(jī)。雖然目前港口裝卸機(jī)械日益發(fā)展,但是在缺少港口裝卸設(shè)備的情況下以及在開闊水面過駁時(shí), 礦砂船、 煤船、 裝谷物等散貨船以及干貨船, 都需要安裝各種類型的起重機(jī), 其它類型船舶為了起吊軟管、 備件、 食品及起吊人員等, 也需要裝備一定

27、工作幅度和起吊能力的起重機(jī)。 船用起重機(jī)的性能對提高裝卸貨物效率, 縮短船舶在港口停留時(shí)間, 加快貨物流通, 促進(jìn)內(nèi)外貿(mào)1易和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重要的意義 。 據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì),2011 年我國造船完工量、 新接訂單量、 手持訂單量分別占 世界市場份額的 45.1% 、52.2% 、43.3% 。 雖然我國造船產(chǎn)量在不斷地增加, 但是船舶配套設(shè)備國產(chǎn)化率相對較低, 只能依靠大量進(jìn)口國外的船舶配套設(shè)備, 而相比之下, 日本國產(chǎn)船舶配套設(shè)備國產(chǎn)化率為 9598% , 韓國國產(chǎn)船舶配套設(shè)備國產(chǎn)化率為 85% 左右,這對我國船舶工業(yè)的價(jià)格優(yōu)勢是一種消解。2003 年底, 國防科工委提 出 加快我國 船舶

28、 配 套 工 業(yè)發(fā) 展 的思 路和 建 議 ,其 指 導(dǎo)思 想之 一 就 是 , 以 培 育自 主研 發(fā) 能 力 、提 高本土化設(shè)備裝船率為根本目的, 充分利用國內(nèi) 外各種可以利用的資源, 盡快把我國船2舶配套工業(yè)做大做強(qiáng) 。 我國要想建設(shè)成為全世界第一造船大國, 必須使我國成為船舶配套制造大國。 甲板機(jī)械方面,我國甲板機(jī)械制造主要還是依靠引進(jìn)國外知名品牌的技術(shù)生產(chǎn),自主研發(fā)能力比較薄弱, 利用引進(jìn)國外技術(shù)生產(chǎn)的甲板機(jī)械和進(jìn)口的甲板機(jī)械占據(jù)市場主導(dǎo)地位。 而且, 國 外的公司根本不轉(zhuǎn)讓一些比較關(guān)鍵的控制部件和高壓液壓件技3術(shù), 只能依賴進(jìn)口 。 克令吊作為重要的甲板設(shè)備, 基本上被國外品牌壟斷

29、, 目前大多采用瑞典赫格隆、法國 blm 、德國 tts 等的產(chǎn)品,如果我們能夠加快消化、吸收已引進(jìn)的技術(shù), 同時(shí)加大投入自主研發(fā), 創(chuàng)建自己的品牌, 將極大推動(dòng)我國船舶配套1 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 業(yè)的發(fā)展 。 1.2 國內(nèi)外 相關(guān) 領(lǐng)域 的 研究現(xiàn)狀 長期以來, 克令吊 的設(shè)計(jì)往往采用以數(shù)學(xué)和古典力學(xué)為基礎(chǔ)的半 理論、 半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法、 直覺法和類比法等傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 設(shè)計(jì)周期比較長, 設(shè)計(jì)的精度也 較低。近年來, 伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和系統(tǒng)工程、 可靠 性工程、 人機(jī)工程、 優(yōu)化工程等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的發(fā)展,克令吊的設(shè)計(jì)研究 進(jìn)入高效率、高品質(zhì)、不斷創(chuàng)新的新階段。 1. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(

30、cad ) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)是設(shè)計(jì)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)互相結(jié)合的一門交叉綜合技術(shù), 在過去相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi), 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要以解決工程和產(chǎn)品的 設(shè)計(jì) 計(jì) 算及 圖形 表達(dá)為 主要 目的。 隨著 科學(xué)技 術(shù)的 不斷發(fā) 展,cad 技術(shù) 也正處不斷發(fā)展之中, 現(xiàn)代 cad 技術(shù)以現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的研究成果為技術(shù)背景,針對工程和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段以其全壽命周期內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析、仿真等問題,能使設(shè)計(jì)工作實(shí)現(xiàn) 集成化、 網(wǎng)絡(luò)化和智能化, 以達(dá)到提高工程和產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量, 降低4成本, 縮短設(shè)計(jì)周期的目的 。 目前,我國在這方面還處于起始階段,而國外的一些企業(yè),像日本的三菱公

31、司、法國的 potain 公司、 美國的 poclain 公司 等,早已普遍采用 cad 技術(shù)。德國的demag 公司還開發(fā)出集 設(shè)計(jì)和報(bào)價(jià)于一身 的 cad 系統(tǒng),只要把起重 機(jī)的基本參數(shù)和基本的結(jié)構(gòu)造型在系統(tǒng)的圖形菜單上進(jìn)行選擇, 系統(tǒng)便能迅速完成設(shè)計(jì)計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)部件的選擇、 輸出總圖和主要的技術(shù)參數(shù), 匯總所需零部件的數(shù)量、 價(jià)格、 工時(shí)以及各5項(xiàng)成本后,對該起重機(jī)進(jìn)行報(bào)價(jià) 。 2. 有限元分析法 有限元方法是將彈性理論、 計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù)。 有限元的基本思想是將物體離散成有限個(gè)且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合, 來模擬或逼近原來的物體, 從而將

32、一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題簡化為離6散的有限自由度問題求解的一種數(shù)值分析方法 。由 于單元可以被分 割成各種形狀和大小不同的尺寸, 所以它能很好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀、 復(fù)雜的材料特性和復(fù)雜的邊界條件, 再加上有成熟的大型軟件系統(tǒng)支持, 它已成為一種非常受歡迎的、 應(yīng)用極廣7的數(shù)值計(jì)算方法 。 目前有限元法在克令吊 的設(shè)計(jì)過程中被廣泛采用, 用于 對克令吊整機(jī)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析、 線性和非線性分析等, 通過分析計(jì)算, 能夠得到符合實(shí)際結(jié)構(gòu)邊界條件, 反應(yīng)實(shí)際工況的結(jié)果。 武漢理工大學(xué) 的胡偉、 周于海 以新型甲板起重機(jī)為例, 選取了起重機(jī)的幾個(gè) 典型工況, 用有限元法對吊臂和塔身進(jìn)

33、行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和2 第 1 章 緒論 剛度計(jì)算, 得到應(yīng)力分 布和變形情況。 武漢理工大學(xué) 的王真以單臂架起重機(jī)臂架為研究對象, 采 用有限元法對臂架的變幅工況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)值仿真, 得到所關(guān)心的幅度下臂架的應(yīng)力應(yīng)變等力學(xué)特性, 并對 該臂架進(jìn)行了模態(tài)分析以及 臂架在貨物突然起吊 時(shí)動(dòng)載荷情況的瞬態(tài)分析。 3. 動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì) 克令吊往往 在復(fù)雜的工況下進(jìn)行工作, 很多因素都能影響它的 動(dòng)態(tài)性能, 通常無法用一個(gè)簡單的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和載荷。 而以往 克令吊的設(shè)計(jì)大都以靜態(tài)為主, 只分析在某些特殊工況下的受力和變形情況, 所以得到的結(jié)果會有一定的局限性。要分析克令吊的動(dòng)態(tài)特性, 可以通過實(shí)驗(yàn)的方法

34、來完成 , 但是需要把克令吊制造成產(chǎn)品, 這樣 不但提高了成本, 而且延長了研發(fā)周期。 目前國內(nèi)外在克令吊的設(shè)計(jì)過程中普遍采用動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)方法, 仿真模擬克令吊在各種工況下的運(yùn)行狀態(tài), 得到的仿真數(shù)據(jù)用來對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估。 日本研究者 tani zum kazuya 運(yùn)用狀態(tài)軌跡和 newton-raphson 方法確 定的速度模8式來研究起重機(jī)載荷的振蕩 。 沈陽交通工程 局 的孫觀福采用結(jié)構(gòu)的柔性多體模式對9起重機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的柔性變形進(jìn)行了研究 。 大 連海事大學(xué) 的楊海軍用 adams 平臺建立液壓克令吊的金屬結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真模型, 進(jìn) 行動(dòng)態(tài)特性分析, 為整個(gè)10系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提

35、供了參考和理論依據(jù) 。 武漢理 工大學(xué) 的程茂林以武漢理工大學(xué)和上海海 灣 機(jī) 電 港 口 工 程 有 限 公 司 聯(lián) 合 設(shè) 計(jì) 的 50t 全 液 壓 船 用 甲 板 起 重 機(jī) 為 模 型 , 利 用adams 平臺對其主變幅機(jī)構(gòu)的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)回路進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真, 研究 了液壓傳動(dòng)11系統(tǒng)回路與整機(jī)多剛體虛擬樣機(jī)系統(tǒng)之間的動(dòng)力關(guān)系 。 4. 可靠性設(shè)計(jì) 1947 年, 費(fèi)羅伊登徹爾發(fā)表了 “結(jié)構(gòu)安全度” 一文, 奠定了結(jié)構(gòu)可靠性的理論基12礎(chǔ) 。 可靠性設(shè)計(jì)立足 于系統(tǒng)工程方法, 運(yùn)用概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)等數(shù)學(xué)工具, 對產(chǎn)品的可靠性問題進(jìn)行定量的分析,采用 失效分析方法和邏輯推理對產(chǎn)品故障進(jìn)

36、行研究,找出薄弱環(huán)節(jié), 確定提高產(chǎn)品可靠性的途徑, 并綜合地權(quán)衡經(jīng)濟(jì)、 功能等方面的得失,將產(chǎn)品的可靠性提高到滿意的程度。 克令吊的工 作環(huán)境通常有一定的限制, 使得克令吊工作時(shí)容易發(fā)生一系列故障, 這樣 不但會造成經(jīng)濟(jì)上的損失, 而且可能對工作人員的人身造成傷害,所以克令吊的可靠性問題越來越受到用戶的關(guān)注。 自 20 世紀(jì) 70 年代以來, 日本、 美國、 德國等 在克令吊的設(shè)計(jì)上都采用了可靠性設(shè)計(jì)方法, 而且很多企業(yè)都制訂了相關(guān)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。 武漢理工大學(xué) 的李麗娜以單梁龍門起重機(jī)為對象, 介紹 了結(jié)構(gòu)可靠性分析 的實(shí)用方法, 并針對蒙特卡羅法和隨機(jī)有13限元的運(yùn)用做了具體的分析, 實(shí)現(xiàn)起

37、重機(jī)結(jié)構(gòu)可靠性分析在有限元法中的應(yīng)用 。大連交通大學(xué) 的馬思群、 馬瑞、 孫彥彬以門座起重機(jī)為對象, 對門座起重機(jī)臂架系統(tǒng)進(jìn)行了 有限元計(jì)算, 并在此基礎(chǔ)上對該型號起重機(jī)進(jìn)行故障影響分析, 由可靠性分析得3 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 出起重機(jī)臂架主要故障模式的 rpn 值,對企業(yè)用戶在今后的使用和維修提供了重要14的參考依據(jù) 。 5. 優(yōu)化設(shè)計(jì) 優(yōu)化設(shè)計(jì)是 60 年代隨 著電子計(jì)算機(jī)的廣泛使用而迅速發(fā)展起來的一門新的學(xué)科,它是最優(yōu)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用的結(jié)果, 可以從眾多的 設(shè)計(jì)方案中尋得盡可能完善或最適宜的設(shè)計(jì)方案。 克令吊 的設(shè)計(jì)長期以來采用的是經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)方法,并且也只

38、是對為數(shù)不多的候選方案 進(jìn)行 對比分析,所以往往很難得到最優(yōu)解,設(shè)計(jì)周期也比較長。 如果 在克令吊的設(shè)計(jì)過程 中采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法, 能根據(jù)產(chǎn)品的要求, 合理地確定各項(xiàng)參數(shù), 不僅可以減輕結(jié)構(gòu)的自重, 降低材料消耗與制造成本, 而且可以提高克令吊的承載能力和工作性能,同時(shí)還能大大縮短產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)周期。 20 世紀(jì) 70 年代初,美國、德國、日本等國家采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,以重量最輕為目標(biāo)函數(shù)對橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行設(shè)計(jì)。 大連理工大學(xué) 的孫慶以甲板起重 機(jī)吊臂為研究對象, 以 ansys 為工具, 利用其參數(shù)化設(shè)計(jì)語言進(jìn)行二次開發(fā), 建立甲板起重機(jī)吊臂的專用開發(fā)系統(tǒng), 探索如何將有限元參數(shù)化技術(shù)、 優(yōu)化

39、技術(shù)應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)15和優(yōu)化 。 上海 708 研 究所 的孫雪榮、 許彬?qū)δ承吞柨肆畹醯?底座加強(qiáng)結(jié)構(gòu) 強(qiáng)度進(jìn)行不同方案的優(yōu)化分析及計(jì)算, 分 8 種不同的工況和 8 種不同的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案 進(jìn)行了具16體的分析和比較, 為今后克令吊底座加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析 提供了一定參考 。中國特種設(shè)備檢測研究院 的趙九峰以體積最小為目標(biāo)函數(shù) , 運(yùn)用有限元軟件對克令吊在17滿足應(yīng)力和變形的約束條件下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì) ,從而節(jié)省了大量材料 。 6. 疲勞設(shè)計(jì) 疲勞設(shè)計(jì)是對承受循環(huán)應(yīng)力的零件和構(gòu)件,根據(jù)疲勞強(qiáng)度理論和疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù),決定其合理的結(jié)構(gòu)和尺寸的機(jī)械設(shè)計(jì)方法。 目前疲勞設(shè)計(jì)理論已經(jīng)從以最大應(yīng)力為

40、主要變量發(fā)展到以最大 應(yīng) 力幅值為主要變量, 近 年來又將可靠性理論 引 入疲勞強(qiáng)度 設(shè)計(jì), 采用近似概率法、 極限狀態(tài)法、 全概率法, 還可以采用統(tǒng)計(jì)斷裂力學(xué)理論來計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)疲勞失效概率。 克令吊通常在比較惡劣的環(huán)境下工作, 而且隨著克令吊朝著大噸位、 高速度方向的發(fā)展, 其 主要受力結(jié)構(gòu) 的工作應(yīng)力越來越大, 主要的失效形式18之一就是在隨機(jī)載荷作用下的 疲勞破壞,所以疲勞設(shè)計(jì)越來越受到重視 。 以 三 菱 重 工 為 代 表 的 日 本 大 型 起 重 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 在 全 球 技 術(shù) 市 場 具 有 鮮 明 的技術(shù)特色和領(lǐng)先的優(yōu)勢, 其核心技術(shù)之一就是基于應(yīng)力幅法的結(jié)構(gòu)

41、疲勞壽命設(shè)計(jì)與評估技術(shù)。 西南交通大學(xué) 的張亞軍以 u 型門式起重機(jī) 為對象, 對其門架結(jié)構(gòu) 的疲勞壽命進(jìn)行理論研究, 計(jì)算疲勞裂紋在確定工況和確定長度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子, 結(jié)合帕里斯19公式對起重機(jī)疲勞壽命進(jìn)行估算 。 昆明理工 大學(xué) 的季庸惠、 董為民以橋式起重機(jī)為對象, 采用循環(huán)計(jì)數(shù)的方法, 計(jì)算出載荷和應(yīng)力幅的頻率分布, 并 用 概率密度函數(shù)進(jìn)20行擬合,為橋式起重機(jī) 的疲勞設(shè)計(jì)提供了參考資料 。4 第 1 章 緒論 7. 反求工程設(shè)計(jì) 目前世界 工業(yè)領(lǐng)域的競爭日益激烈, 各企業(yè)必須降低成本, 縮短設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期,提高產(chǎn)品質(zhì)量, 并充分吸收和利用現(xiàn)代高新技術(shù)成果, 增強(qiáng)自身的競爭力, 這

42、就導(dǎo)致了反求設(shè)計(jì)方法的廣泛應(yīng)用。 反求設(shè)計(jì)的基本思想是: 對已有產(chǎn)品進(jìn)行分析, 明確產(chǎn)品各個(gè)組成部分及不同部件的內(nèi)在聯(lián)系, 并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合, 最后從功能、 原理、 布局等不同的需求角度對產(chǎn)品模型進(jìn)行修改和再設(shè)計(jì)。 與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)不同, 反求 設(shè)計(jì)是從已知事物的有關(guān)信息出發(fā), 去尋求這些信息的科學(xué)性、 技術(shù)性、 先進(jìn)性、 經(jīng)濟(jì)性、 合理性等 , 并充分 消化和吸收, 而且更為重要的是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)、 挖潛、再創(chuàng)造。 我國在對國外克令吊先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)和消化過程中也運(yùn)用過反求設(shè)計(jì)的方法, 取得了不錯(cuò)的效果。 華中科技大學(xué) 的姜翠香以后搖桿驅(qū)動(dòng)臂架起重機(jī)為對象, 采用反求21工程設(shè)計(jì)原理,

43、對該起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)做了相關(guān)研究 。 大連 工程機(jī)械研究所的 高 順 德 、 劉佃 富 、 邢玉 生 運(yùn) 用 反 求工 程 設(shè) 計(jì)和 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) 相結(jié) 合 的 方法 , 對 304304型隨車起重機(jī)的變幅機(jī)構(gòu)進(jìn)行反求, 得到該起重機(jī)近似 的尺寸, 并將反求設(shè)計(jì)得到的22尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,最終得到該新型變幅機(jī)構(gòu)合理的尺寸參數(shù) 。 8. 模塊化設(shè)計(jì) 模塊化設(shè)計(jì)是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或者相同功能不同性能、 不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上, 劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊, 通過模塊的選擇和組合就可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品, 它 是在生產(chǎn)部門快速地 響應(yīng)市場, 縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期, 降低產(chǎn)品的成本

44、的要求下提出的。 模塊化概念和標(biāo)準(zhǔn)化、 通用化、 系列化是分不開的, 它是“三化” 原理在應(yīng)用上的發(fā)展。 克令吊的非標(biāo)產(chǎn)品往往比較多, 參數(shù)的規(guī)格也具有多樣性, 采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法, 往往 會導(dǎo)致設(shè)計(jì)重復(fù), 延長了設(shè)計(jì)周期, 提高了產(chǎn)品的成本,并且產(chǎn)品的通用化程度比較低。 20 世紀(jì) 70 年代 , 瑞典 linden 公司首先把模塊 化 設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到塔式起重機(jī)的開發(fā)過程中,用有限的模 塊有機(jī)組合成適 用 于 各 種 具 體 施 工 需 要 的 塔 機(jī) 。 德國 demag公司采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行單梁起重機(jī)的設(shè)計(jì)后, 設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本分別降低了12% 和 45% 。 大連理工 大學(xué) 的蔡

45、盛保以吊鉤雙梁式起重機(jī)為基型產(chǎn)品, 以功能分析為基礎(chǔ), 對這些基型產(chǎn)品進(jìn)行了模塊的劃分, 建立了橋式起重機(jī)的基型模塊, 對運(yùn)行模23塊進(jìn)行了詳細(xì)的模塊化設(shè)計(jì) 。 太原科技大學(xué) 的張宇、 張亮有以起重機(jī)的起升機(jī)構(gòu)為例, 詳細(xì)說明了起升機(jī)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)過程中模塊的劃分、 模塊的組合、 具體的 設(shè)計(jì)實(shí)24現(xiàn)方法 。中北大學(xué) 的 張偉強(qiáng)、王宗彥、吳淑芳以 vb 和 solidworks 為工具和平臺,開發(fā)了門式起重機(jī)模塊化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng), 從而 提高了門式起重機(jī)的設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品的25質(zhì)量 。 9. 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)5 江蘇科技大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 起重機(jī) 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用的是許用應(yīng)力法, 給設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)留有

46、一定的安全裕度, 比如采用一定的安全系數(shù), 但是因?yàn)椴?料和載荷往往具有不確定性, 所以安全裕度的可靠程度不一定能夠保證, 并 且安全系數(shù)的取值在不同的設(shè)計(jì)規(guī)范中也往往有不同的取值。 而極限狀態(tài)法就克服了許用應(yīng)力法的一些不足, 其原理是將結(jié)構(gòu)置于各種可能的極限狀態(tài) 之下進(jìn)行分析, 并以概率論和可靠性理論為基礎(chǔ), 充分考慮了載荷效應(yīng)、 結(jié)構(gòu)抗力的變異性, 根據(jù)對結(jié)構(gòu)的材料、 所受載荷以及工作情況的統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算26具體結(jié)構(gòu)的可靠度 。 歐 洲 鋼 結(jié) 構(gòu) 疲 勞 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 (eccs ) 和 美 國 橋 式 起 重 機(jī) 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范 (aisc-irfo )均對起重機(jī)采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

47、 大連理工大學(xué) 的郭云志以 quy200 型履帶起重機(jī)吊臂結(jié)構(gòu)為例, 采用極限狀態(tài)法對吊臂結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性進(jìn)行 校核, 并與許用應(yīng)力法進(jìn)行了分析比較,證明了采用極限狀態(tài)法的優(yōu)越性。太原科技大學(xué) 的徐格寧、詹鵬以 雙梁門式起重機(jī)為例, 采 用極限狀態(tài)法和許 用應(yīng)力法對該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì), 計(jì)算結(jié)果表明 極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全性更高, 而且經(jīng)濟(jì)性更好。 大連理工大學(xué)的翟甲昌, 王懷建在橋式起重機(jī)的焊接梁疲勞強(qiáng)度分析中運(yùn)用了極限狀態(tài)法, 而且提出了使用設(shè)計(jì)式。 10. 參數(shù)化設(shè)計(jì) 參數(shù)化設(shè)計(jì) 是 cad 在實(shí)際應(yīng)用中提出的課題, 它是 cad 應(yīng)用領(lǐng)域的一個(gè)重要課27題 。 參數(shù)化設(shè)計(jì)與

48、傳 統(tǒng)的設(shè)計(jì)不同, 它儲存了整個(gè)設(shè)計(jì)過程, 能夠設(shè)計(jì)出一族形狀和功能上有相似性的產(chǎn)品, 它 是運(yùn)用程序?qū)a(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)化, 設(shè)計(jì)過程中只需要輸入產(chǎn)品的基本參數(shù), 就能自動(dòng)生成產(chǎn)品, 這樣工程人員不需要考慮具體細(xì)節(jié), 精 確計(jì)算結(jié)果由計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成, 同時(shí)可以通過變動(dòng)某些參數(shù)和約束關(guān)系來更新設(shè)計(jì)。 對于同類型的起重機(jī),結(jié)構(gòu)形式等方面都比較相似,所以就比較適合利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法,這樣可以避免重復(fù)性設(shè)計(jì),提高設(shè)計(jì)效率 ,更快地滿足市場的需求。 edwin 等 提 出 了 一 種 基 于 cad 的 設(shè) 計(jì) 參 數(shù) 化 方 法 , 把 pro/e 、ansys 和28mscnastran 連接,直接引入

49、形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng) 。太原理工大學(xué)的 姚愛英,李志鋒采用全參數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法,開發(fā)出橋式起重機(jī)橋架的 cad 專業(yè)設(shè)計(jì)軟件,目29前國內(nèi)一些大型起重機(jī)廠已投入生產(chǎn)使用 。 王良文以 pro/e 的二次開發(fā)為基礎(chǔ), 對塔式起重機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行 研究, 論述了塔機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。 黃進(jìn)前、 朱娟以專家系統(tǒng)和模型庫為支撐, 開發(fā)出岸邊集裝箱起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng), 該系統(tǒng)自動(dòng)生成計(jì)算書和工程圖等,大大縮短了設(shè)計(jì)周期。6 第 1 章 緒論 1.3 本文研究內(nèi)容 1.3.1 主要 研究內(nèi)容 克令吊, 又稱船用起重機(jī), 是船上的一種大甲板機(jī)械, 它是一種船舶裝卸貨物的設(shè)備, 在額定的載荷下可以實(shí)現(xiàn)

50、起升、 變幅和回 轉(zhuǎn)三種運(yùn)動(dòng)。 克令吊 根據(jù)動(dòng)力源可以分為手動(dòng)、電動(dòng)、液壓三種類型, 液壓克令吊是船舶上普遍使用的一種裝卸貨設(shè)備,本論文針對 散貨船 35t/30m 液壓克令吊進(jìn)行設(shè)計(jì) ,主要研究的內(nèi)容如下: 1. 通過船舶設(shè)備公司現(xiàn)場和市場的調(diào)研, 確定了液壓克令吊的整體設(shè)計(jì)方案。 然后以理論力學(xué)、 材料力學(xué)等為基礎(chǔ), 依據(jù) 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊 、 船舶與海上設(shè)施起重設(shè)備規(guī)范 、 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 等確定液壓克令吊的 一些設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算系數(shù), 完成起升 機(jī)構(gòu)、變幅 機(jī)構(gòu)、 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,并建立了整機(jī)的三維模型 。 2. 以液壓克令吊 的吊臂為對象, 建立吊臂的有限元模型, 對 吊臂的 最

51、大工作半徑和 最小工作半徑兩個(gè) 極 限工況進(jìn)行有限元靜 力 分析,得到吊臂的應(yīng) 力 分布 及 變 形 情況,保證 吊臂的強(qiáng)度和剛度滿 足要求,從而證明 吊臂的靜態(tài)可靠性。 3. 對 液壓克令吊 的吊臂進(jìn)行有限元模態(tài)分析, 提取前十階固有頻率, 繪制 出相應(yīng)的振型圖, 并計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、 卷筒振動(dòng)及貨物偏擺 等引起的工作頻率 , 證明不會發(fā)生共振現(xiàn)象。 4. 通過動(dòng)力學(xué) 仿真 軟件對液壓克令吊的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真 , 生成了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)貨物對吊臂頭部產(chǎn)生的動(dòng)載荷曲線, 并對所得到的曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 , 為液壓克令吊回轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu) 的設(shè)計(jì)提供一定的理論 依據(jù)。 1.3.2 章節(jié)安排 本文的主要章節(jié)安排如下: 第 1 章 : 緒論。 介紹了本課題研究的背景和意義, 分析了國內(nèi) 外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,并介紹了本文主要研究的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。 第 2 章: 基本理論。 闡述了課題研究所需要的有限元基本理論和動(dòng)力學(xué)理論, 為后文的分析和研究提供一定的理論基礎(chǔ)。 第 3 章: 液壓克令吊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 根據(jù)液壓克令吊的基本設(shè)計(jì) 參 數(shù), 完成液壓克令吊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì), 主要包括起升機(jī)構(gòu)、 變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī) 構(gòu)等的設(shè)計(jì)計(jì)算 , 并建立了整機(jī)