龍門(mén)吊結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1、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(mén)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(zhuān)業(yè)班級(jí)工程力學(xué)14-1班學(xué)生姓名蔣婷學(xué)生學(xué)號(hào)140403240104指導(dǎo)教師李治淼2016年7月22日目 錄第1章 概述11.1 制作龍門(mén)吊的目的及意義11.2 選題背景1第2章 制作要求22.1 整體要求22.2 模型要求22.3 加載方式32.4 失效評(píng)比42.5 模型材料及工具4第3章 設(shè)計(jì)說(shuō)明53.1 桁架說(shuō)明53.2 結(jié)構(gòu)說(shuō)明53.3 節(jié)點(diǎn)說(shuō)明6第4章 龍門(mén)吊靜力學(xué)計(jì)算74.1 龍門(mén)吊靜力分析力學(xué)模型74.2 龍門(mén)吊內(nèi)力計(jì)算94.3 龍門(mén)吊應(yīng)力計(jì)算104.4 龍門(mén)吊位移計(jì)算11第5章 龍門(mén)吊穩(wěn)定性計(jì)算11

2、5.1 龍門(mén)吊穩(wěn)定性分析模型135.2 穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果分析13第6章 總結(jié)14第1章 概述1.1 制作龍門(mén)吊的目的及意義龍門(mén)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(mén)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(lèi)有很多，按門(mén)框結(jié)構(gòu)形式劃分，可分為門(mén)式起重機(jī)和懸臂門(mén)式起重機(jī)。其中門(mén)式起重機(jī)具有場(chǎng)地利用率高、作業(yè)范圍大、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(mén)式起重機(jī)（gantry crane）是橋式起重機(jī)的一種變形，俗稱(chēng)龍門(mén)吊、龍門(mén)起

3、重機(jī)。龍門(mén)式起重機(jī)是門(mén)式起重機(jī)的象形說(shuō)法。主要用于室外的貨場(chǎng)、料場(chǎng)貨、散貨的裝卸作業(yè)。整體結(jié)構(gòu)像門(mén)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(mén)式起重機(jī)具有場(chǎng)地利用率高、作業(yè)范圍大、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(mén)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(mén)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(mén)式

4、起重機(jī)結(jié)構(gòu)，下部具有至少長(zhǎng)600mm，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)行，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所示陰影范圍之外。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 限定范圍及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)法推入則視為模型不符合要

5、求。圖2.2 下部?jī)艨臻g及撓度檢查示意圖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張A0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)行加載，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、跨度以及具體的結(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(chēng)情況，變截面、變高度、變寬度、梁式結(jié)構(gòu)、張拉結(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)

6、行設(shè)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)行加載時(shí)，模型的失效分為部分失效和整體失效。出現(xiàn)下列任一情形則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)下列情形判定為部分失效：（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

7、及工具（1）竹材：用于制作結(jié)構(gòu)構(gòu)件，自行購(gòu)買(mǎi)。竹材規(guī)格見(jiàn)表2-1。（2）502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)行任意機(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1.0×104MPa ，抗拉強(qiáng)度60MPa 。 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(mén)吊結(jié)構(gòu)，整個(gè)模型包括橫梁（及其中間組成部分）、支座兩大部分。主要來(lái)進(jìn)行整個(gè)橫梁及支座的設(shè)計(jì)與制

8、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(mén)起重機(jī)結(jié)構(gòu)不僅承擔(dān)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)形式及造型而言，只要滿足相關(guān)控制點(diǎn)的要求，對(duì)塔架體系以及外形的選擇不限，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)體系及結(jié)構(gòu)外形兩方面進(jìn)行了分析。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)。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)力撓度不易過(guò)大，所以橫梁應(yīng)采用中間高，兩端低的模型，這樣

9、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?xún)蛇叺膹澢鷷?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，防止開(kāi)膠。圖3.1 支座模型圖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)，

10、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。 A節(jié)點(diǎn)粘接方式 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(mén)吊靜力學(xué)計(jì)算4.1 龍門(mén)吊靜力分析力學(xué)模

11、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)行力學(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。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)我們使用的材料以及主要截面做出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)，如表4-1所示。其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)

12、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2圖4.4 截面3圖4.5 截面44.2 龍門(mén)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)到最佳狀態(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。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 龍門(mén)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)行應(yīng)力計(jì)算，如圖4.8是該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析圖。圖4

13、.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61.28MPa。圖4.9 等效應(yīng)力4.4 龍門(mén)吊位移計(jì)算所設(shè)計(jì)符合應(yīng)力條件之外，X、Y方向的位移也不能超過(guò)一定值，圖4.10為X方向的位移圖。如圖所示，X方向的最大位移為1.173mm.圖4.10 X方向位移圖 如圖4.11所示，為該結(jié)構(gòu)Y方向的位移圖，在Y方向的最大位移為4.65mm.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，圖4.12 總位移圖如圖4.13所示，為局部放大的最大位移圖，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)生在中間承重桿附近。第5章

14、 龍門(mén)吊穩(wěn)定性計(jì)算5.1 龍門(mén)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：SETTIME/FREQLOAD STEPSUBSTEPCUMULATIVE2112121221222223123232412424表5-1屈曲失穩(wěn)圖第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)

15、行模型制作。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，基本符合強(qiáng)度要求。（2）5mm，總位移為5.24mm，變形并不大，也基本符合要求。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)，最終采用的方案為上拱形橫梁結(jié)構(gòu)。整個(gè)起重機(jī)由類(lèi)三角支座支承，而受力由上拱型結(jié)構(gòu)承受。（2）運(yùn)用拱形結(jié)構(gòu)能承受較大的壓力的特點(diǎn)，制作上