cae课程设计说明书

1、计算机辅助工程设计课程设计课程设计题目:c型双梁起重机强度、刚度分析学生姓名：学 号：学院：机械工程学院专业班级：机械设计制造及其自动化专业课程：计算机辅助工程设计指导教师:2016年1月8日目录摘要 关键词前言51 题目要求62. 双梁起重机介绍92. 1双梁起重机92. 2安全检查规范102.3操作规程113. 软件介绍123. 1 solidworks 软件介绍123. 2有限元分析方法概述124. c型双梁起重机有限元分析144. 1研究对象144. 2 c型双梁桥式起重机有限元模型的立154. 3 c型双梁桥式起重机静态特性受力析164. 3.1静力学分析模型164. 3. 2网格划

2、分174. 3. 3双梁桥式起重机的各种载荷184. 3. 4载荷分析194. 3. 5计算结果分析20结论22实习心得22参考文献24摘要随着现代工业化的迅速发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都 迫切的需要改进生产技术、提高生产效率。制造行业中对起重机的技术要求也越来 越高，性能也越开越全面。c型双梁桥式起重机越来越向着大起重量、大跨度和高可靠性方向发展。双梁 桥式起重机主要由桥架、大午运行机构、小午、电器设备等组成。根据企业的要求 设计，c型双梁桥式起重机是横架于车间、仓库和料厂上空进行物料调运的起重设 备，它的主梁多采用工字型钢或钢型与钢板的组合截面。本文基于solidwor

3、ks软件 及三维模型受力分析的基础上建立了起重机整体机构的有限元模型，通过对有限元 的分析和优化，然后简化为静力学分析模型，经过对电动葫芦从跨中到跨端不同位 置的多次加载求解，得出整机的最大等效应力和最大变形量随电动葫芦所在不同位 置的分布情况，利用该结果可以对主梁进行下一步的优化设计。关键词：solidworks; c型双梁桥式起重机；有限元分析模型我们基于solidworks有限元理论基础，对某桥式起重机主梁在额定载荷工况 卜，小车满载位于跨中位置进行静力分析，通过计算仿真结果找出主梁的强度、刚度的分布，在此基础上，以其质量减轻为目标进行结构优化c型双梁桥式起重机桥架作为起重机的主要承载机

4、构，其质量约占整机自重的 60%,它的设计参数取值优劣对整机的设计成败起决定性作用。传统的起重机主梁的设计分析为了保证结构安全可靠，取较大的安全系数，造 成不必要的材料浪费。而有限单元法是良好的结构分析方法，相对于传统的材料力 学受力分析计算方法而言，有限元分析方法将使得计算结果更精确，同时实现优化 设计。1题目要求1.1 c型双梁桥式起重机三视图1.2 c型双梁桥式起重机主视图图1.2起重机主视图1.3 c型双梁桥式起重机俯视图图1.3起重机俯视图1.4 c型双梁桥式起重机侧视图图1.4起重机侧视图1.5 c型双梁桥式起重机局部图旋转图1.5起重机局部图2双梁起重机介绍2. 1双梁起重机双梁

5、起重机一般指双梁桥式起重机，英文名：dual-beam craneo双梁起重机一般由机械、电气和金属结构三大部分组成。桥式起重机外形象一 个两端支承在平行的两条架空轨道上平移运行的单跨平板桥。双梁起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转 等部门和场所均得到广泛的运用。如图2. 1图2. 1双梁起重机2. 2安全检查规范双梁桥式起重机的安全检查为了保证桥式起重机的安全运行，在起重机运行期 间需进行一些安全常规检查，检查项目及要点如22.2.1起升高度限位器、行程限位开关及各联锁机构性能正常，安全可靠。2.2.2各主要零部件符合安全要求：开口增大小于原尺寸的15%,扭转变形

6、小 于10%；板钩衬套磨损小于原尺寸的50%,板钩心轴磨损小于5%,无剥落、毛刺、 焊补。吊钩挂架及滑轮无明显缺陷。钢丝绳表面钢丝磨损、腐蚀量小于钢丝直径的 40%,断丝在一个捻距内小于总丝数的10%,无断头，无明显变细，无芯部脱出、死 角扭拧、挤压变形、退火、烧损现象。钢丝绳端部连接及固定的卡子、压板、锲块 连接完好，无松动，压板不少于2个，卡子数量不少于3个。卷筒无裂纹，连接、 固定无松动；筒壁磨损小于原壁厚的20%；安全卷不少于2圈，卷筒与钢丝绳直径 比例符合要求。平衡轮固定完好，钢丝.绳应符合的要求。制动器无裂纹，无松动， 无严重磨损，制动间隙两侧相等尺寸合适，有足够的制动力，制动带磨

7、损小于原厚 度的50%o通过对双梁桥式起重机的安全常规检查，对杜绝人身事故，减少设备事故，提 高设备运转率，降低检修费用等均起到了显著作用。2. 3操作规程工作前a. 对制动器、吊钩、钢丝绳和安全装置等部件按点检卡的要求检查，发现异常 现象，应予排除。b. 操作者必须在确认走台或轨道上无人时，才可以闭合主电源。当电源断路器 上加锁或有告示牌时，应出原有关人除掉后方可闭合主电源。工作中每班第一次起吊重物时（或负荷达到最大重量时），应在吊离地面高度0. 5 米后，重新将重物放下，检查制动器性能，确认可靠后，再进行止常作业。b.操作 者在作业中，应按规定对下列各项作业鸣铃报警。起升、降落重物；开动大

8、、小 车行驶时。起重机行驶在视线不清楚通过时，要连续鸣铃报警；起重机行驶 接近跨内另一起重机时。吊运重物接近人员时。c.操作运行中应按统一规定的指挥信号进行。d.工作中突然断电时，应将所有的控制器手柄置于“零”位，在重新工作前应 检查起重机动作是否正常。c.起重机大、小车在正常作业中，严禁开反车制动停车；变换大、小车运动方 向时，必须将手柄置于“零”位，使机构完全停止运转后，方能反向开车。d. 有两个吊钩的起重机，在主、副钩换用时和两钩高度相近时，主、副钩必须 单独作业，以免两钩相撞。e. 两个吊钩的起重机不准两钩同时吊两个物件；不工作的情况下调整起升机构 制动器。f 不准利用极限位置限制器停

9、车，严禁在有负载的情况下调整起升机构制动器。g严格执行“十不吊”的制度：指挥信号不明或乱指挥不吊；超过额定起重量时不吊；吊具使用不合理 或物件捆挂不牢不吊；吊物上有人或有其它浮放物品不吊；抱闸或其它制动安 全装置失灵不吊：行车吊挂重物直接进行加工时不吊；歪拉斜挂不吊；具 有爆炸性物件不吊；埋在地下物件不拔吊；带棱角块口物件、未垫好不吊； h.如发现异常，立即停机，检查原因并及时排除。工作后a. 将吊钩升高至一定高度，大车、小车停靠在指定位置，控制器手柄置于“零” 位；拉下保护箱开关手柄，切断电源。b. 进行h常维护保养。c. 做好交接班工作。3软件介绍3. 1 solidworks 软件介绍s

10、olidworks软件功能强大，组件繁多。solidworks有功能强大、易学易用和技 术创新三大特点，这使得solidworks成为领先的、主流的三维cad解决方案。 solidworks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。 solidworks不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单 方便、易学易用。在口前市场上所见到的三维cad解决方案屮，solidworks是设计过程比较简 便而方便的软件之一。美国著名咨询公司daratech所评论："在基于 windows平 台的三维cad软件中，solidworks是最著名的品牌，是市场快速

11、增长的领导者。 强大的设计功能和易学易用的操作（包括windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘 贴）协同下，使用solidworks ,整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、 装配设计和工程图之间的是全相关的。3.2有限元分析方法概述有限元法（fea, finiteelementanalysis）的基本概念，是用简单重复的的问 题替代复杂大型的问题后再进行解算。它将需要结算的范围看成是由有限个个体单 位，并且有限小的不间断性的子范i韦i组成，对任何一个单元假设一个合适的（较低级 的）近似解，继而推论解算这个域总的结构的平衡条件，从而得到问题的解。这个 值不是精确值，却是近似值，因为现实

12、的情况被较单一的问题所替代。只有很少部 分的实际情况能够得到精确的解，而有限元法不仅能使得解算精度很高，而且各种 不规则在现实很难解决的形状也能的到分析，从而有限元法提供了用來精确分析复 杂工程实际问题的良好方法。有限元法能够解决多种复杂的数学物理问题，在新时期是诸多复杂工程问题的 核心解决方法。有限元法是20世纪40年代，为了满足实际工程问题的严谨精确复 杂难以处理的需要而发展建立起来的。fea的力学依据是弹性力学，而公式解算的 依据是加权残值法或者泛函极值原理，采用的手段是数值离散计算的方法，而最终 的分析方法的承载是有限元分析软件。刚开始的有限元法还没有被应用到普通的领域，都是比较专一的

13、方面，例如零 件关键部位力的奇异现象，然而，按照普通的思路考虑，每一种物理现象都是相互 关联出现的。例如，物体间的相互接触会产生摩擦，而摩擦会使机械能转变为热能, 一些材料的物理和化学属性又会在热量的作用下发生少许的改变。这种在多个物体 之间或者同一物体不同侧之间能量的相互传递现象发生在了不是单一的物理场，这 种现象的分析比单一物理场的问题要复杂的多。从而一种能够解决多物理场的工具 就有了迫切需求。4 c型双梁桥式起重机有限元分析4. 1研究对象本文所研究对象的技术特性表和材料分别在表1、表2中列出。表1技术特性表起升重量16000kg起升高度9000niin起升速度3. 5 m/min小车运

14、行20m/min电动机功率13 kw小车运行1. 6 kw起重机运行1. 5x4 kw表2材料特性表弹性模量2. le+011 n/m2泊松比0. 28抗剪模量7. 9e+010 n/m2质量密度7700 kg/m3张力强度723825600 n/m2屈服强度620422000 n/m2热膨胀系数1.3e-005 /k热导率50 w/(m2.k)比热460 j/ (kg. k)c型双梁桥式起重机有限元模型的建立木论文采用solidworks软件进行有限元仿真，首先在solidworks的零件图屮 画出c型梁结构和横梁结构图，再在装配图中把两个零件图装配起来，完成装配图 的要求。(1) 工字钢截

15、面的简化处理，把工字钢圆弧段简化成直线段，截面类似于h型 钢的类型。(2) u型钢板与两块斜盖板组成一体，把斜盖板的两个折边简化掉，斜盖板与工 字钢连接成直板连接，与u型钢板也直接连接。(3) 主梁两端面到端梁处的截面体变化忽略，以跨中的截面代替变化处的截面。(4) 主梁实际工艺中的圆角倒边等忽略，这在一定程度上会造成一些不影响主体 结构微小的集中应力。根据以上要求，导入的装配图如图2-1所示图起重机装配图43 c型双梁桥式起重机静态特性受力分析4. 3. 1静力学分析模型c型双梁桥式起重机整机结构的受力状态比较复杂，但可以简化为可进行力学 分析的简支梁的形式，简化后的静力学分析模型如图3-1

16、所示。pn/90/9图3-1静力学分析模型图中的q表示桥式起重机自身重量，在solidworks中定义了材料的属性后，由 有限元软件自动求出，q为货载重量，加载位置为电动葫芦行走轮与主梁工字钢的 接触面，p表示为货载是以集中力的方式加载在主梁上。在材料属性中己设定了材料密度，且重力是分布力,重力加速度的方向是垂直向 下，在solidworks中只需要给出受力方向和数值即可自动算出主梁的重力大小。4. 3.2网格划分由于该双梁桥式起重机结构屮有多种不同厚度的钢板并且某些部件尺寸较大， 所以采用单个部件分别划分网格的方法，分别定义各个部件网格的尺寸。为提高计算速度，必要地方需进行网格细化，c型双梁

17、桥式起重机模型网格如 图3-2所示。图3-2起重机模型网格4. 3. 3双梁桥式起重机的各种载荷该电动双梁桥式起重机用于工矿企业的车间物料的装卸与搬运。作用在起重机 上的载荷主要有静载荷、起升载荷和水平惯性载荷等。1）自重载荷自重载荷指起重机木身的结构、机械设备、电气设备以及始终积结在它的某个 部件上的物料等质量的重力。对电动葫芦而言，主要有电动葫芦自重，吊物重等效 载荷。对桥架而言主要是桥架的轮压。2）起升载荷起升载荷是指起升机构总起升质量的重力。当货物无约束的离开地面时，货物的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作 用，该单梁桥式起重机的起升速度为3.5m/mino由于起升高度小于50 m,

18、所以钢丝绳的质量可以不计。因物品下降制动时对承载机构和传动机构将产生附加的动载作用。这一动载作 用可以通过将起升载荷乘以大于1的起升载荷动载系数e 2考虑。系数e 2的取值方法如下当 u aw0 2m/s 时,2= <1）2min当 u a>0. 2m/s 时，g2二4）加in + p2 （ va-0. 2）式中 v a 一稳定起升速度p2 起升状态级别系数<l）2min起升载荷最小动载系数，与起升状态级别有关查起重机设计手册可得，u awo. 2m/s时，（i）2二2 2min二1. 14. 3. 4.载荷分析在起重机工作过程屮，主梁受到木身自重、小车重量和载重量三者共同作

19、用。 自重载荷可以靠施加重力加速度获得，小车自重和载重量可在主梁上施加相应的载 荷获得。主梁最大载重12.5 to因为是双梁起重机，载重量均匀分布到每根梁上。 对于集中载荷可以均匀地加载到特定节点附近的部分节点上，可消除应力过于集中 的现象，避免局部变形过大。载荷大小即小车轮压值，方向是垂直向下。考虑到物 品起吊离地或卜降制动时对起重机金属结构的振动影响，必须对起重机质量产生的 重力，乘以系数21, "1称为起升冲击系数，l)l=l±a由于桥式起重机主梁的简化模型是简支梁，因此对梁的两端施加全约朿 综上所述，起重机的约束和受力的模型简图如图3-3：图3-3起重机模型简图4.

20、 3. 5计算结果分析经过有限元分析，跨屮载荷是起重机受力最大的点1）主梁应力图von mises (n/ma2)1,657,6348751,513496.8751.381.362.750 1,243“2266251,105,090.500966,954.313828,818.180690,682.125552*46.80414,409.906276,273.813138.137.6881.580屈月艮力：62qa22qoo.qoo图3-4主梁应力图2）主梁位移图ures (mm)b1374e-o011.718e-o011.562e-001.1.4o5e-co1.1.249e-001.1x)9

21、3e-oo1.9369e902.7306e-002.&246e-oo2.4.685e902.3.123e-oo2.1.562e-oo2.1.000e-030图3-5主梁位移图3）主梁应变图变形比例：10921.3estrnr5.137e-oo64.7o9e-oo6.4.281 e-006.3.853e-oo6.3.425e-oo6.2.997e-oo6.2.568e-006.2.140e-006.1.712e-006.1.2846-006jl 8,56210074.281 e-007 9.571 e-012图3-6主梁应变图由应力图可知，对主梁加载位置不同时，主梁端部存在应力集屮，因此

22、主梁端 部应为无损检测的重点部位。由上图可知，161加载于跨中时产生的主梁中部的最人应力大。由有限元分析可知，对主梁不同部位施加载荷时，最大应力均发生在主梁腹板 截面突变处，并且该处发生严重应力集中。因此。该中位为桥式起重机承载能 力的薄弱环节。结论本文通过对模型进行三维建模并进行有限元分析，得知桥式起重机主梁中部腹 板截面处应力最大，容易发生裂，位移变量最大为0.18mm,小于lmm,故符合设计 要求。因此，在以后的设计和工作中，如果参加这方面的工作，需对此作出充分的考 虑并加强主梁中部腹板截面出的检修和保养工作，同时也可以降低起重机自身重量, 为起重机的轻量化设计提供了重要参考。实习心得时间过的真快，为期一周的有限元分析实习转瞬即逝，通过这个周的实习，我 学到了很多东西。一开始，关于有限元，我一直停留在一个很模糊的概念，我知道, 这是一个各个领域都涉及的点，之要有关cae的，儿乎都要涉及有限元。总体来说, 这是一门非常重要，非常实用，但又非常难的课程。为此，我主要有以下几点感想：首先，本次实习，开阔了我们的视野，使我们的理论和实践结合在一起，也使 我们对课木一些比较模糊的概念、抽象的原理有了一个崭新的认识和理解。使我们 对以往所学的知识有了更进一步的巩