门式起重机门架的设计及优化

任务书设计题目：门式起重机门架的设计及优化1设计的主要任务及目标本课题通过solidworks三维实体造型软件对门式起重机门架进行建模，运用有限元分析软件cosmoswork软件对所建的零件模型进行优化分析，通过分析结果来判定零件设计的合理性。2设计的基本要求和内容（1）掌握solidworks与cosmoswork软件的使用方法；（2）了解有限元分析的方法及意义；（3）了解机械产品的优化设计方法；（4）完成门式起重机门架的建模与分析；（5）完成相应的工程图（6）毕业设计说明书；（7）答辩用PPT演示幻灯片一份；（8）其他校、系规定内容。3主要参考文献1成大先.机械设计手册M.北京：化学工业出版社.2004.2江洪，陈燎，王智等.SolidWorks有限元分析实例解析M.北京：清华大学出版社.2007。3林翔，谢永奇.SolidWorks2004基础教程M.北京：清华大学出版社.2004。4王旭，王积生.机械设计课程设计M.北京：机械工业出版社.2003。5张质文等.起重机设计手册M.北京：铁道出版社.1998。4进度安排设计各阶段名称起止日期1查阅相关材料，撰写开题报告2014年3月9之前2掌握solidworks与cosmoswork软件的使用方法2014年3月10日到2014年4月153完成起重机桥架的建模与分析2014年4月16到2014年5月164完成相应的工程图设计说明书等整体设计2014年5月17到2014年5月315校订说明书，说明书装订，PPT制作2014年6月1到2014年6月20门式起重机门架的设计及优化摘要：进入21世纪以来，我国的铁路、造船工业进入了快速发展的轨道，门式起重机因其在露天作业环境中有其它类型起重机无法替代的优势，因此对其进行研究、创新，使其结构更合理，使用更方便，具有重要的战略和现实意义。本设计以单主梁L型门式起重机结构设计为设计目标，内容包括主梁、支腿、下横梁等结构的设计。首先采用许用应力法及计算机辅助设计方法和第四强度理论对主梁结构进行载荷计算，然后对其强度、稳定性、刚度进行校核，运用solidworks软件对所设计的结构进行建模，用有限元软件进行应力分析，对所设计模型进行分析，如不符合，重复所做步骤。其设计很好的体现了结构力学、材料力学在金属结构件和起重机运输中的重要运用。关键词：门式起重机，金属结构，载荷计算，三维建模DesignandoptimizationofgantrycranegantryAbstract：Sincethe21stcentury,Chinasrailway,shipbuildingindustryhasenteredarapiddevelopmenttrack,gantrycraneforitsoperationintheopenenvironmentthereareothertypesofcranesirreplaceableadvantage,sotoresearch,innovation,makethestructuremorereasonableandmoreconvenienttouse,hasimportantstrategicandpracticalsignificance.ThisdesignbyLsinglegirdergantrycranestructuredesignasthedesigngoal,thecontentincludingmaingirder,legandlowerbeamstructuredesign.Firstusingallowablestressmethodandcomputeraideddesignmethodandthefourthstrengththeoryofmaingirderstructureofloadcalculation,andthentocheckitsstrength,stability,stiffness,byusingthesolidworkssoftwaretodesignthestructureofthemodel,thefiniteelementsoftwareforstressanalysis,analysisofthedesignmodel,suchasdoesnotconformto,repeatsteps.Itsdesignisverygoodembodiesthestructuralmechanics,mechanicsofmaterialsinthemetalstructureandtheimportantuseofcranetransportation.Keywords:gantrycrane,Metalstructure,Loadcalculation,3dmodeling目录1前言11.1结构简介11.2发展现状21.3研究目的和意义21.4已知数据的确定32门架主要尺寸的确定52.1主梁几何尺寸和特性62.2支腿几何尺寸和几何特性62.3下横梁截面尺寸及几何特性72.4主梁支腿抗弯刚度比82.5大车轮距选取83门式起重机门架的计算93.1门架的计算载荷93.1.1主梁单位长度质量93.1.2小车轮压93.1.3小车制动时由于货重和小车自重引起的惯性力93.1.4大车制动时产生的惯性力103.1.5风载荷113.2主梁的内力计算123.2.1垂直面内的内力123.2.2水平面内的内力173.3主梁的强度验算183.3.1弯曲应力验算183.3.2剪应力验算193.3.3主梁扭转剪应力193.4支腿与下横梁的内力计算213.4.1门架平面支腿内力计算213.4.2支腿平面内的支腿内力计算253.5支腿和下横梁强度验算283.5.1支腿强度验算283.5.2下横梁强度验算293.6门架的静刚架计算293.6.1主梁的刚度计算293.6.2支腿静刚度计算303.7主梁动刚度计算324门架solidworks三维图的建立和优化354.1门架的三维图形354.1.1门架横梁三维图形354.1.2下横梁的三维图形354.1.3支腿的三维图形354.1.4总体三维图形的建立364.2门架有限元simulation有限元力学分析364.2.1进入软件工作区364.2.2网格化分析模型384.2.3位移分析结果384.2.4应力分析结果384.2.5应变分析结果384.3分析总结38结论39参考文献40致谢4101前言1.1结构简介门式起重机是桥式起重机的一种变形。在港口主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。门式起重机的主梁形式主要有两种单主梁和双主梁。单主梁门式起重机结构简单，制造安装方便，自身质量小，主梁多为偏轨箱形架结构。与双主梁门式起重机相比，整体刚度要弱一些。因此，当起重量Q50t、跨度S35m时,可采用这种形式。单主梁门式起重机门腿有L型和C型两种形式。L型的制造安装方便，受力情况好,自身质量较小，但是，吊运货物通过支腿处的空间相对小一些。C型的支脚做成倾斜或弯曲形，目的在于有较大的横向空间，以使货物顺利通过支脚。双主梁门式起重机承载能力强，跨度大、整体稳定性好，品种多，但自身质量与相同起重量的单主梁门式起重机相比要大些，造价也较高。根据主梁结构不同，又可分为箱形梁和桁架两种形式。一般多采用箱形结构。主梁结构可分为桁架梁和箱型梁以及蜂窝梁。使用角钢或工字钢焊接而成的结构形式，优点是造价低，自重轻，抗风性好。但是由于焊接点多和桁架自身的缺陷，桁架梁也具有挠度大，刚度小，可靠性相对较低，需要频繁检测焊点等缺点。适用于对安全要求较低，起重量较小的场地。使用钢板焊接成箱式结构，具有安全性高，刚度大等特点。一般用于大吨位及超大吨位的门式起重机。为国内最大的门式起重机，主梁采用了箱梁结构。箱梁同时也具有造价高，自重大，抗风性较差等缺点。蜂窝梁一般指“等腰三角形蜂窝梁”，主梁端面为三角形，两侧斜腹上有蜂窝孔，上下部有弦杆。蜂窝梁吸收了桁架梁和箱梁的特点，较桁架梁具有较大的刚度，较小的挠度，可靠性也较高。但是由于采用钢板焊接，自重和造价也比桁架梁稍高。适用于使用频繁或起重量大的场地或梁场。由于这种梁型为专利产品，因此生产厂家较少。本次设计的起重机因支腿形状类似字母L又称L型门式起重机，该装置主要是由主梁、支腿、下横梁等结构组成。单主梁L型门式起重机一般做成箱型结构，而1且常做成L型支腿。有时也可做成桁架结构，但是桁架结构存在着制造劳动量大，维修保养不方便等缺点，所以一般设计成箱梁门式起重机。1.2发展现状目前，国内专业生产大型起重机的厂家很多。其中以中联重科、三一重工、抚挖等公司产品系列较全，市场占有率较高。中联重科在2007年12月宣布实行品牌统一战略后。现已成功开发了50t600t履带式起重机产品系列。作为中国起重机行业的领跑者，徐州重型机械有限公司现在已经形成了以汽车起重机为主导，履带式起重机和全路面起重机为侧翼强势推进的庞大型谱群。国内最具历史的履带式起重机生产企业抚挖现已拥有35t350t的履带式起重机产品系列。QUY350是抚挖2007年推出的国产首台350t履带式起重机，填补了国内350t履带式起重机的产品型谱空白。国外专业生产大型起重机厂家很多。其中利勃海尔、特雷克斯-德马格、马尼托瓦克与神钢等公司产品系列较全，市场占有率较高。利勃海尔公司的产品技术先进、工作可靠，其生产的LR系列履带起重机最大起重量已达1200t。其桁架臂履带式起重机系列在2007年又喜添新品LR1600/2，使其产品型谱更加完善。未来的一段时间内，起重机的发展趋势包括以下几个方面：（1）大吨位的自拆装系统。（2）便利模块化和组合化。（3）混合型起重机1.3研究目的和意义通过对门式起重机门架的研究和创新设计，能够让我很好的掌握结构力学、材料力学在金属结构件和起重机运输中的运用。作为毕业设计的一大课题，在融合贯通机械专业的同时，更能很好的使自己所学专业知识全面化、系统化。本次设计的结构较复杂，特别是支腿、设计难度较大，计算量也较多。不光是对专业知识的考察，更体现在自己对待生活和学习的态度上。通过这一环节的训练，更能很好的提高了以下方面的能力：（1）综合运用所学知识和技能，独立分析和解决设计问题的能力；（2）熟练运用基本技能，包括绘图、计算机应用、翻译、查阅文献等等的能力；实2验研究的能力；撰写科技论文和技术报告，正确运用国家标准和技术语言阐述理论和技术问题的能力：（3）收集加工各种信息的能力，获取知识的能力；（4）多角度的培养我们综合运用和扩大所学知识面的能力，以提高理论联系实际的能力。（5）通过依据数据、准确的制图，培养了我们收集、整理、分析及运用资料的能力。另外它不仅仅局限在机械基础知识上更涉及了有关材料学、力学等多学科知识，使我们对交叉学科有了一定的涉足，拓宽了我们的知识面，更激发了进行本专业工作、学习的激情与兴趣。本设计为单梁L型门式起重机结构设计，根据给出的设计参数，设计出符合要求满足使用性能的起重机结构，并对设计出来的结构进行校核计算。所用到的研究方法主要有比较研究法、文献资料法等。借鉴前人对起重机结构设计的成熟经验，结合目前门式起重机所存在的缺点和不足，进行起重机的创新性结构设计。通过翻阅相关文献书籍对涉及到的单主梁、两刚支腿、两柔支腿以及上下横梁等结构进行计算，特别是载荷计算及载荷组合。在完成门式起重机的设计之后需要对门架进行整体分析，这就需要运用solidworks软件的simulation有限元网格化分析，对所设计的尺寸进行优化分析，在位移、应力、应变三个方面进行优化分析，更全面、更细致，完成对所设计的优化。1.4已知数据的确定起重量：16mQt跨度：=22；L悬臂长度：双悬臂；=7.2；=6.3；=5.0；1Lm11Sm工作级别：、25%；4AJC起升高度：12；H起升速度:7.8机构工作级别：v/in5M小车运行速度：37.5小车工作级别：xc/im大车运行速度：39.5大车运行级别：d53小车轮距:2.5；xBm小车轨距:1.23；L各构件质量数据：起重机总质量：=49612kg；主梁:=18612kg；支腿：=3853kg（一根）；zGqGtG下横梁：=2346kg(一根)；轨道：=2950kg；走台栏杆：=2067kg；大车传动hgzt装置：=1881kg；小车：=7286kg；操纵室：=566kg；电气均布质量：dcxcc=450kg；电气集中质量：=750kg；小车供电电缆：=314kg；操纵室梯子安qGdpdl装：=124kg；ct吊具：=322kg。042门架主要尺寸确定2.1主梁几何尺寸和特性正面尺寸简图如图2.1所示：图2.1单主梁门式起重机计算简图门架的主要构件有主粱、支腿和下横粱，皆采用箱形结构。主粱截面如图2-2所示，其几何尺寸如下：（1）主梁几何尺寸高度()=()22=1.470.88H152L152m取=1.516m宽度B(060.8)取=1.10;=0.96sBx取副膻板厚度2=0.6c其它板厚1=3=4=0.8m其余尺寸=150,=90(腹板间距)hb（2）主梁几何特性面积=374.82Fc静面矩=10150=6860xS3yS3c惯性矩=1328762=559431I4myIm5截面模数=17035;=10884;xW3cmyL3cm=94573;yR图2.2主梁的截面尺寸2.2支腿几何尺寸和几何特性支腿总体尺寸，支腿几何图形如图2.3所示图2.3支腿的计算简图参考同类型起重机，采用“L”型支腿,确定总体几何尺寸如下:H=8.05，H1=1.35，H2=O.40，H3=1.50，H4=2.00，H5=13.765mmm=8.25，=1.60，=5.40，=4.05，=7.00，B=8.529h1l2lal6计算门架内力时，取计算高度：=1.35十8.05十O.4=9.8012hHm计算内力时，取计算高度:=8.05hH支腿截面尺寸及几何特性支腿截面尺寸如图2.4所示，其几何特性为：图2.4支腿的截面尺寸截面:A;=l432431;；47258xIcmAyI4cm31508AxWcm.310yW截面：B=403208;=1951110;；xI4cByI4c31859Bxc31956y折算惯性矩：=565398;=1691770。xzI4cmyzI4c2.3下横梁截面尺寸及几何特性下横梁截面几何尺寸如图2.5所示，其截面几何特性为截面：C;,；4178926.3zIcm4132CyIcm31485.CyWcmxW截面：D;，；42359.6yIc4905DzIc38.6Cyc301.9DzWcm7图2.5下横梁的截面尺寸2.4主粱支腿抗弯刚度比系数:(式21IhKL2.1）式中主梁绕轴惯性矩;Ix支腿折算惯性矩，41256398xcm=9.8，=16.5hL2138769.5IK2.5大车轮距取大车轮距的选取按下式计算01136.4914557dcKLmm取，83门式起重机门架的计算3.1门架的计算载荷3.1.1主梁单位长度质量门架的计算载荷：q=(式18629.5013/7qGNmL3.1）50.13/Ncm主梁的单位长度质量：15031/jqc式中起升冲击系数，由设计手册，取=1。13.1.2小车轮压小车轮：单主梁小车有两个垂直车轮轮压2xcPQG计算轮压：(式1202jxcPGQ3.2）由门式起重机设计手册得，动力系数可按下式计算：2=210.078.qv取=1.15,则=jP691.5639.853N=252539/2=126269j3.1.3小车制动时由于货重和小车自重引起的惯性力可知，小车制动时的惯性力受限于小车车轮与轨道的粘着力，即xgPfV式中粘着系数，=0.15ff主动车轮轮压，V90.152639.80.749xcxgQGPfVN3.1.4大车制动时产生的惯性力可知，大车制动时引起的惯性力也受限于车轮与轨道的粘着力（1）主梁自重引起的惯性力；(式()qbdgfGaPhB3.3）大车车轮总数为4，主动车车轮数为2，尺寸和见2.2：aB0.15862.059877()qdgPN（2)货物自重和小车自重引起的惯性力若取作用在处；xcdgP2h(式0()12xcxcdgfQGaPhBf3.4）=05(679)4.05810.22.N(3）支腿自重引起的惯性力支腿自重：Gt=3853kg(式11()ttdgfGlbPV3.5）=0.1538537(.608)9.72N10（4）主梁自重引起惯性力化成均布截荷120475./.5.07/qdgqdgPNmLNcm3.1.5风载荷（1）作用于货物的风载荷(式QfIfIwPCqF3.6）当Q=16t时，=10;C=1.2;为工作状态最大风压，由1可知=250w2mfIqfIq(假设在沿海工作)2/N.53QfIPN（2）作用在小车上的风载荷(式xcfIfIxcCqF3.7）式中小车的迎风面积，由小车防雨罩的尺寸确定，=8xcxcF2m1.22508=2400fIPN(3)作用在主梁上的风载荷(式qfIfIqCF3.8）式中主梁长度方向迎风面积；q212.5364HLm=1.225055=16500qfIPN(4)将主梁上风载荷化为均布载荷qfI11165043./27.2qfIqfIPNmL=4.533N/cm(5)作用在支腿上的风力tfIP(式tfIPfItCqF3.9）式中Ft=HB=8.051.675=13.52m=1.225013.5=4050tfIPN化为均布载荷：4.13/98tfItfIPqch3.2主梁的内力计算3.2.1垂直面内应力将门架分为门架平面和支腿平面，分别作为平面刚架计算下面将对主梁、支腿、下横梁逐个进行计算计算主梁的内力时，将门架当作平面静定结构分析(1)主梁均布自重引起的内力的计算公式：支反力：(式1250137.96ABjLVqN3.10）剪力：15037.26093.LRDCQqjN154RLj12弯矩：2215037.12936.jCDqMLNm21/21245037.79.jNm跨中：由主梁自重引起的内力图由如图3.1，其中图a为计算简图，b为弯短图，c为剪刀图（2）移动载荷引起的主梁内力取小车轮压：1629jPN分别计算小车位于跨中和悬臂端时的主梁内力：小车位于跨中（如图3.2、和）abc12max2()4.6(69)1295.8LKPMNm13图3.1主梁由自重引起的内力图图3.2主梁由移动载荷引起的内力图由1最大弯矩作用位置：14x=12L-K2.6P+62919()()0.35m求得支反力；VA=12()LxKpPL=0.352(10.356)696987.N12691807.55.BAVP剪力.6DAQN13795CVB小车位于悬臂端（图3.2、和）得：def支反力:1126.36.3229930ALLKVPN126.326.9573LKVBPN剪力：57LRCDQ=9302538N由1表11-3；弯矩1512169.369.326DMPLKN/25739614LBVm小车制动惯性力引起的主梁内力（图3.3和）当小车制动时，惯性力顺主梁abc方向引起的主梁内力支反力：(式1740.982635.ABxgVPhLN3.11）剪力：7635.1409CDABQVNHPxg由1表11-3求得弯矩：跨中：/27140.9828390.6LMxghNm支座处:174.98DPxgh16图3.3主梁由小车惯性力引起的内力图图3.4主梁由水平惯性力引起的内力图3.2.2水平面内的内力当大车制动时，由于惯性力和风载荷引起的主梁内力，在主梁水平面内，由于大车制动时产生的惯性力顺大车轨道方向，其中由主梁自重引起的和由满载小车qdg自重引起的P的计算值已于前述xcdg顺大车轨道方向的风载荷为、和（其值也列在前面），它们引起的主梁qfIPxcfIQfI内力见图3.4.A、小车在跨中求得弯矩：17(式2211()(50.743.)2qDdgfIML3.12）60.8Nm2/212461.54032689qxcQLdgfIdgfIfILPLmB、小车在悬臂端求得弯矩：=(式DM2111()()2qxcQxcdgfIdgfIfILPS3.13）=2(50.743.)0(6.53024)501638.NmML/2=(式3.14)qdgfI211(xcQdgfIfILPS=210(50.74.3)(7)26.53024508.Nm现分别将主梁垂直面和水平面内的弯矩列表如下：表3.1主梁垂直面和水平面内的弯矩列各位置数据主梁垂直面内弯矩（Nm）生产弯矩的外力小车位置主梁均布质量q移动载荷p183.3主梁的强度验算3.3.1弯曲应力验算DM/2LDM/2L小车在跨中小车在悬臂-153083.52-153083.52248878.84248878.840-149626.61043440.06-740653.65小车制动时产生惯性力xgP移动载荷P产生弯矩的外力小车位置DM/2LDM/2L小车在跨中197837.5898918.7938044.241486999.2小车在悬臂197837.5898918.79-1224645.8-374004.86主梁水平面内弯矩（Nm）、等xcdgPqxcfIQfIPqfI产生弯矩的外力小车位置DM/2LM-26023.68-105420.98小车在跨中小车在悬臂-163831.18-34185.43由表3.1可知，主梁在垂直面和水平面内的合成弯短，小车在跨中时，跨中弯矩最大。小车在悬臂时，支承处弯矩最大。现分别验算主梁跨中和支腿处的弯曲DD应力。求得跨中弯曲应力。(式/2/1.5sLzxMWy3.15）1914869.2381.570547=9675.19N/cm23.3.2剪应力验算根据上述计算,小车在悬臂端时,主梁支承处剪力最大,主梁支承处垂直面内的剪应力由式计算：(式12()DXXQSI3.16）小车在跨中：=36093.6+118807.657635.5=147265.75ND小车在悬臂端：=36093.62525387635.5=296267.1NDQ剪应力：227.11/386(0.)xNcm3.3.3主梁扭转剪应力主梁在水平面内受水平惯性力和风力引起的剪应力一般较小，可略去不计。对于单主梁箱形门式起重机，其主梁截面除承受自由弯曲应力外，还了在受约束弯=12011.90N/cm2支承处弯曲应力=c.5SDxMWy2406831.34720曲应力、约束扭转正应力（以增大15%的自由弯曲应力计入）和剪应力。此外，主梁截面还了在受纯扭转剪应力，现验算如下：(1)弯心的位置如图3.5所示，主梁截面弯心位置：20169078.8ebcm图3.5主梁截面弯心计算简图小车各部分重量如下：=4509kg小车上机械部分重量；1G=16322kg吊重及吊钩组重量；=2490kg小车架及防雨罩重量。(2)外扭矩123561024915.89674.8nMllNm(3)主腹板上的剪应力1=2n式中=90.7150.8=13677.56bh2cm1=643.=1369.37N/2cm盖板厚度与主腹板厚度相同(4)副腹板上剪应力2=269317.50Mn21=1641N/2cm3.4支腿与下横梁的内应力计算3.4.1门架平面支腿内力计算计算支腿内力时，可分别取门架平面和支腿平面的门架作为平面刚架进行计算，门架平面的刚架为一次超静定结构，支腿平面的刚架为超静定结构(1)由主梁均布自重产生的内力（如图3.6）可知，有悬臂的侧推力为：图3.6支腿自重引起的内力图(式21643jqLHhk3.17）为了安全起见，现将有悬臂门架当作无悬臂门架计算，即H=2250.131379.044()98()jqLHNcmhk22弯矩：1237980123459CDMHhNcm(2)由移动载荷产生的内力（由小车轮压产生的主梁内力），分为小车在跨中和小车在悬臂端进行A.小车在跨中（图3.7）当=9.7m时，=2.6acK侧推力：=H()160844519.72.213jPaKNhLk（）（）弯矩：59772MCDc图3.7支腿自由移动载荷B.小车在悬臂端（如图3.7）主钩左极限位置。5Sm侧推力：121()231360.843.760.89729.85HPKxkhN弯矩：=41665.36980=40832052N.cmCDMHh（3）作用在支腿上的风载荷产生的支腿内力（如图3.8a、b所示）作用在支腿23上的均布风载荷引起的支腿内力：图3.8支腿由风载荷引起的内力图侧推力HA184.390(18)2934.62tfIqhkNB5683tfIk.(5)0.181弯矩09.14923.8CBMhNcm23().()567.88tfILqk242max18()234.39801.7tfIqhkMNc（4）由于顺小车方向轨道的小车制动惯性力和风载荷产生的支腿内力（如图3.9a、b所示）可知，顺小车轨道方向的风载荷和小车制动惯性力产生的支腿内力：图3.9支腿由小车惯性力引起的内力图侧推力:1()2xcQAByfIfIHP=(17140+2400+3000)=11270.47N弯矩:.9856.CDMcm小车在跨中的支腿合成弯矩：123459.274123.04.8706.CNm.85967.856.2514.3D小车在悬臂端的支腿合成弯矩：25123459.083254706.914506.06.CMNm.8.4321.D3.4.2支腿平面内的支腿内力计算计算支腿平面内的内力时，可按小车运行到支腿位置时计算，此时垂直载荷：P=2P+G+G+G(式cj()jjqLctdp3.18）式中各符号的意义见前述。59.061270256124709.83578.cPN（1)由垂直载荷引起的支腿内力（如图3.10a所示）在垂直载荷作用下引起的支腿内力由得支反力：C11()37562.8.6)049.cplaVN12()3756.8.9cPlVN弯矩:12.6103279.64MVlm275926图3.10支腿的内力计算简图37562.810649cMPaNm（2）由水平载荷引起的支腿内力(如图3.10)在水平载荷和作用下引b1sP2起的支腿内力计算：作用在支腿顶部的水平载荷：12047165021.403583qxcQsdgfIdgfIfIPPN作用在支腿中部的水平载荷：2724057ttsdgfIP支反力：12124583.078.05719sshPVlN弯矩=5719160=91486.64Nm1Ml2725719403876.0MVlNm3125.240sshPNm（3）支腿承受从主梁传递据矩作用引起的支腿内力（如图3.10）c已知269.n支反力12693.84770nMVNl弯矩：12384715.28693.nlmN（4）支腿自重引起的支腿内力（如图3.10）d已知支腿自重，化为均布载荷：85,6tGkgac859.236/10tqcm弯矩23108.taMN支反力(式11()tGlbV3.19）=3859.7.608241N()3859.60.8)7124tGlbV弯矩：23197.65408MlNmV（5）下横梁自重引起的下横梁内力（如图3.10所示）在计算支腿平面e内的门架内力时，可同时求出支腿上的弯矩和下横梁中的弯矩。除此sM12M及之外，下横梁自重在下横梁产生的弯矩：28下横梁自重=2346kg，化为均布载荷G9.8./70hqNcm支反力12.87014952hqlVN弯矩/28LM23.47014.5qhlm在支腿与下横梁联接处的下横梁截面处的弯矩：C(式21hClq3.20）=28473.8460160.Nm支腿平面内支腿和下横梁承受的弯矩Nm支腿平面内支腿下部弯矩合成：32932087620569814156740549329CMNm3.5支腿和下横梁强度验算3.5.1支腿强度验算由上述门架的内力计算可知，在门架平面内，支腿上部弯矩较大，向下逐渐小。而在支腿平面内，支腿下部弯矩较大，向上逐渐变小。所以单主梁门式起重机支腿在两个方向的宽度尺寸可变化成为变截面形状，对于支腿上部面，当小车位A于跨中时，可按门架平面的合成弯矩：MC=-437006.49N.m和支腿平面内支腿承受主梁传递的扭矩Mn=269339.99N.m验29算弯曲应力：=(式3.21)43706.923.158170cnxyMW247.9/Nm对于支腿下部截面B-B，可只按支腿平面、支腿下部承受的合成弯矩和轴向3M力合成验算支腿强度轴向力sin37562.8sin71.09.5CPaN弯曲应力=3ByMNWF13564.6=7553.532/cm3.5.2下横梁强度验算下横梁强度按截面的合成弯矩验算：C215326740196/8.yMNcmW3.6门架的静刚架计算3.6.1主梁的刚度计算计算门架刚度时，应分别对主梁和支腿进行刚度计算。在进行主梁刚度计算时，应以门架平面作为计算平面。在进行支腿刚度计算时，以支腿平面作为计算平面。主梁刚度按超静定门架计算。（1）当小车在跨中时(式3322486()PLfEIkEI3.22）30=3617894502.72363178945064()28721cmf（2）当小车在悬臂墙时(式2112()334()PLPLfEIkEI3.23）=26178950(10).38726317894501(2).387.cmf3.6.2支腿静刚度计算对于支腿，只需进行支腿平面内的刚计计算即可31图3.11支腿刚度计算简图（1）水平刚度（如图3-11、）在水平载荷、作用下，支腿顶部的水平ab1SP2位移按下式计算:(式11PssMdE3.24）其中,单位水平载荷=1引起的支腿内力为:S128.05.7hVNl23.6421805sMcmlPh32在水平载荷和作用下引起的内力由前述所知=45835；=77721SP21SPNSP1608496423.86125007623.9.525.09.8170.685782.10.170.=0.52cm（2）垂直刚度计算（如图3.11、）在垂直载荷作用下，支腿顶部的垂直位cdCP移计算：(式12ccMpdsEI3.25）单位垂直载荷=1引起的支腿内力：CP12()7(.6)0.543laVN10.543.N68Mcm2.72.7310Nc由前述计算：=CP37562.8?26106493.09.7.5128.342309462.21cm（3）扭转刚度计算（如图3.11、）支腿受主梁传递的扭矩而引起扭转变形，ef其扭转刚度验算：(式1MnndsEI333.26）618251693.0615342（4）单位扭转刚度计算，单位扭转刚度计算按下式计算：(式211MnndsEI3.27）620.8160.8185123.097.413.7主梁动刚度计算主梁的动刚度，可以由下式验算主梁满载自振频率来控制：(式2(1)0.16KsmkfM3.28）（1）当小车在跨中时，(0.5)sqLGxcg21(.3069.8)9865/Nscm4723)KsLElKEl336610209.84.8764().18729.21/Ncm式中12.50.63QMs在此029.8Gg2163./Nscm式中504.387tKk在此612.51670trnEFl于是2534.8.(348)0.6.127.fHz（2）小车在悬臂端时：2()0.61KsmkfM式中1s(0.3)xcqLGg(0.35.172069.8)98=82.142/Nsm2311234708./SKLLEIkEIc35式中=0.50msQM82.1463=4.59ksKt72028150(.9).6.19374.ZfH皆大于2Hz,满足要求。4门架SOLIDWORKS三维图的建立和优化4.1门架的三维图形4.1.1门架横梁三维图形36图4.1门架横梁三维图4.1.2下横梁的三维图形如图4.2所示为下横梁的solidworks3D图形图4.2下横梁三维图4.1.3支腿的三维图形如图4.3所示为支腿的solidworks3D图形图4.3支腿三维图374.1.4总体三维图形的建立如图4.4所示为总体结构的solidworks3D图形图4.4门架总体结构三维图4.2门架有限元simulation有限元力学分析4.2.1进入软件工作区如图4.5所示为有限元分析软件的工作界面图4.5simulaition工作界面4.2.2网格化分析模型如图4.6为simulation的网格化分析过程38图4.6网格化优化分析4.2.3位移分析结果如图4.7所示为门架的位移分析结果图4.7位移分析结果4.2.4应力分析结果如图4.8所示为门架优化应力分析结果39图4.8应力分析结果4.2.5应变分析结果如图4.9所示为门架的应变分析结果图4-9应变分析结果4.3分析总结通过solidworks软件中simulation插件对所设计的门架进行分析，结果清晰明了，在危险截面，应力集中区域可进行全面的分析，该软件对所设计的结构在受力状况下，位移、应力、应变的分析，对设计结果的判定符合设计要求，再施加外力的情况下无论在变型还是在材料的屈服强度都符合设计要求，在实际的设计过程中能节省大量时间。结论毕业论文是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次门式起重机门架的设计与优化，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度40的提升。虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各种公式的运用，以及强度的计算和solidworks软件的使用，随着设计的不断深入而不断熟悉并学会应用的。和老师的沟通交流更使我从经济的角度对设计有了新的认识也对自己提出了新的要求。此次毕业设计我严格按照老师的要求进行，对文中使用的计算公式进行了深入的研究，这本起重运输机械帮了我很大的忙，文中的公式在这本书上能全部找到，不仅是门式起重机，对其他起重设备也有详细的说明，这让我在一边学习门式起重机的同时也可以对其他的起重机也有一定的了解。