龙门吊结构创新设计说明书

word格式完美整理/东北石油大学课程设计课程桁架结构创新设计题目龙门式起重机结构创新设计学院机械科学与工程学院专业班级工程力学14-1班学生姓名蒋婷学生学号140403240104指导教师李治淼2016年7月22日word格式完美整理目录TOC\o"1-2"\h\u20993第1章概述 1151471.1制作龙门吊的目的及意义 1103091.2选题背景 128447第2章制作要求 2122012.1整体要求 24362.2模型要求 260922.3加载方式 369882.4失效评比 4164192.5模型材料及工具 4395第3章设计说明 5132473.1桁架说明 5264443.2结构说明 596863.3节点说明 630613第4章龙门吊静力学计算 7203424.1龙门吊静力分析力学模型 7166174.2龙门吊内力计算 981854.3龙门吊应力计算 10195854.4龙门吊位移计算 1132241第5章龙门吊稳定性计算 11184195.1龙门吊稳定性分析模型 1311945.2稳定性计算结果分析 137490第6章总结 14第1章概述1.1制作龙门吊的目的及意义龙门吊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。它的种类有很多,按门框结构形式划分,可分为门式起重机和悬臂门式起重机。其中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。确保它的强度、刚度、稳定性等,是能够安全应用于实际生活中的前提。1.2选题背景龙门式起重机〔gantrycrane是桥式起重机的一种变形,俗称龙门吊、龙门起重机。龙门式起重机是门式起重机的象形说法。主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。整体结构像门形框架,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。龙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。如图1.1所示的桁架梁式龙门起重机是由角钢或工字钢焊接而成的,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。图1.1单梁桁架门式起重机第2章制作要求2.1整体要求使用竹条和胶水制作一龙门式起重机结构,下部具有至少长600mm,宽350mm的立面空间,将在顶部梁的中央悬挂加载配重,要求结构在此工况下不发生破坏。模型采用竹条材料制作,模型制作自行安排时间地点来进行,材料与工具自备。2.2模型要求模型在重力作用下与加载平面接触,此时模型的正面投影应在如图2.1所示阴影范围之外。在加载平面上有一600mm*350mm的矩形区域,该区域不能有任何构件。该矩形区域紧贴加载平面,之间没有缝隙,矩形区域下部不能有拉条等结构构件。图2.1限定范围及加载示意图我们将准备一个的外轮廓投影大小刚好是600mm*350mm的检测用长方体。长方体将在模型验收时推入该区域,如果无法推入则视为模型不符合要求。图2.2下部净空间及挠度检查示意图2.3加载方式模型直接放置在加载平面上,加载平面是水平的。模型与加载平面相互独立,不能粘接。加载平面上将放置一张A0图纸,以保证结构与加载平面之间有一个统一的摩擦系数。模型加载采用悬挂重物的方式进行加载,力F的方向竖直向下。如图2.1所示,加载位置是正面投影矩形限制区域的中线位置。模型的高度、长度、跨度以及具体的结构形式均不做任何限制,只要保证如图2.2所示符合挠度检查要求即可。可以出现如图2.1所示的不对称情况,变截面、变高度、变宽度、梁式结构、张拉结构、桁架结构、预应力结构等等都是允许的。模型必须保证挂钩能顺利挂在模型加载位置,需根据挂钩对加载点进行设计,保证挂钩顺利悬挂。结构构件不能妨碍悬挂挂钩和配重,如果出现不能实现加载,无法记录成绩的问题,责任自负。所使用挂钩如图2.3所示的膨胀螺栓吊钩。图2.3加载挂钩2.4失效评比模型在进行加载时,模型的失效分为部分失效和整体失效。出现下列任一情形则判定为模型整体失效,不能继续加载,成绩记为零分：〔1在加载阶段,整体结构出现垮塌或侧倒,无法完成加载。〔2出现违反规定的其它状况,具体由评委讨论决定。出现下列情形判定为部分失效：〔1整体没有破坏,但模型出现明显的变形,构件发生过大的挠度,导致挂上重物后无法推入长方体的情况。〔2出现违反规定的其它状况,具体由评委讨论决定。2.5模型材料及工具〔1竹材：用于制作结构构件,自行购买。竹材规格见表2-1。〔2502胶水：用于模型结构件之间的连接,自备502胶水。〔3制作工具：自行携带制作工具,可以对材料进行任意机械加工〔切、削、剪、磨等均可,但不能改变材料的力学性能。表2-1竹材规格序号竹材规格1900*3*2mm2900*3*3mm3900*3*6mm4900*1*6mm5900*2*2mm注：竹材力学性能参考值弹模量1.0×104MPa,抗拉强度60MPa。第3章设计说明3.1桁架说明本次桁架设计为龙门吊结构,整个模型包括横梁〔及其中间组成部分、支座两大部分。主要来进行整个横梁及支座的设计与制作,并通过502胶水将各结构相互连接,整体采用竹木条材料制作。3.2结构说明龙门起重机结构不仅承担竖向静荷载,而且需承受一定量的弯矩,在重物作用的情况下具有足够的刚度,且不发生破坏。对于结构形式及造型而言,只要满足相关控制点的要求,对塔架体系以及外形的选择不限,这为设计方案的选择提供了较大的余地。在结构选型过程中分别从结构体系及结构外形两方面进行了分析。在结构体系的选取方面,由于拱形结构能将力传递到两端,能承受较大的弯矩作用,而不至于折断,且传力最为直接、高效,非常适用于拱形梁结构。在结构外形的选择方面,考虑到起重机要承受较大的向下压应力挠度不易过大,所以横梁应采用中间高,两端低的模型,这样既可以省材料,又能保证挠度不大,而拱形是满足此要求,并且有很大的抗压能力,而底座承受更大的压应力,所以揉度不易过大,经过长时间的实验,最终采用了如图3.1此种结构的底座,此结构有较大的硬度与刚度,可以完全承受所要求的重量,而梁与底座的接触点采用面接触,因挠度不大,所以接触点只是简单地连接即可,由于力分散到左右两个支座,所以两边的弯曲会很大,因此将两个支座设计为由多个三角形构成的形式。三角形的结构具有稳定性不易变形抗压,抗弯的能力均较强,因此可以很好的分担梁的受力,给梁以支撑的作用。截面采取‘L’型结构,让结构能够实现好地连接,防止开胶。图3.1支座模型图3.3节点说明起重机结构中包含较多节点,竹子构件在这些节点处的连接均采用胶水粘结,为贴合连接节点。这里列出了三种典型的节点连接构造形式,如图3.2所示,包括粘合节点〔节点A、横梁顶部与塔架之间的节点〔节点B、塔架与横梁中部之间的节点〔节点C。塔架的主干与主干之间还连有细杆,以确保结构的稳定。点使用搭接和粘接的组合方式,可以使起加固作用的连接杆承受一定的拉力而不会断开。B节点,保证十分稳固,不仅节省材料,也满足要求。C节点的设计采用最简单的连接方式,用于此处不仅可以提高强度,还能提高其稳定性。A节点粘接方式B节点粘接方式C节点粘接方式图3.2各节点粘接方式第4章龙门吊静力学计算4.1龙门吊静力分析力学模型本次设计的桁架结构总长610mm,总高380mm。运用学过的材料力学和结构力学,采用有限元软件ANSYS进行力学分析与计算。在ANSYS中,采用Beam188梁单元离散,因为结构每一段在其中都被打断,所以在mesh的时候每一段只划分了两段,如图4.1所示。图4.1整体模型图这个结构总共有324个单元,300个节点,在支座两端施加全约束,在梁上最中间处,即截面为6*6mm中间处施加FY=100N的力。在保证满足承载的情况下,我们希望它的质量尽可能的小,因此我们对我们使用的材料以及主要截面做出相应的统计,如表4-1所示。其中四种主要截面分别如图4.2、4.3、4.4所示。表4-1竹条用料统计表竹条横截面积/mm2桁架的体积mm3竹条的根数3*6*2*11220026*15719.3542*217082.633*27900.403图4.2截面1图4.3截面2图4.4截面3图4.5截面44.2龙门吊内力计算通过轴力图与弯矩图来分析局部受力情况,从而简化结构,达到最佳状态。据图4.6可知弯矩最大处发生在最中间两根杆处,原因是中间承重杆所受力向两边传递,导致边上两根杆受力最大。图4.6弯矩图根据图4.7分析得知,梁上两根杆一边受压,一边受拉,轴力最大处发生在这两根杆的中间处。图4.7轴力图4.3龙门吊应力计算竹条的强度是衡量结构能否承受100N的力的关键因素之一,需要进行应力计算,如图4.8是该结构的应力分析图。图4.8X轴应力图如图4.9所示,为第三强度理论应力分析结果,最大应力为61.28MPa。图4.9等效应力4.4龙门吊位移计算所设计符合应力条件之外,X、Y方向的位移也不能超过一定值,图4.10为X方向的位移图。如图所示,X方向的最大位移为1.173mm.图4.10X方向位移图如图4.11所示,为该结构Y方向的位移图,在Y方向的最大位移为4.65mm.图4.11Y方向位移图如图4.12所示,为该结构的总位移图,图4.12总位移图如图4.13所示,为局部放大的最大位移图,图4.13总位移局部放大图据图可见,该结构的变形量最大达到5.24mm,其中最大变形处发生在中间承重杆附近。第5章龙门吊稳定性计算5.1龙门吊稳定性分析模型稳定性分析也是判断结构能否承载成功的因素之一,特征值屈曲分析施加的载荷为100N,支座两端施加的全约束。特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度,通过特征值屈曲分析我们可以获得极限载荷,能够对我们做的结构有一个更清楚的分析。5.2稳定性计算结果分析为了使结构能够保证不失稳,我们做了特征值屈曲,结果如表5-1如下：SETTIME/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE21-0.5814512121221.337012222231.554312323241.772012424表5-1图5.1屈曲失稳图第6章总结本组成员有：王久亮、尚文博、陈开放和蒋婷,最终选取蒋婷的模型进行模型制作。通过以上对该结构的分析得出结论：〔1在X方向的应力为61MPa,基本符合强度要求。〔2在Y方向的最大位移为4.65mm,总位移为5.24mm,变形并不大,也基本符合要求。〔3已知竹子的密度为0.000617g/mm3,总体积为56013.3mm3,得出总质量为34.6g,失稳载荷为133.7N,即在F=133.7N时,结构发生失稳。而要求只承受100N即可,理论上该结构是合格的。据图5.1,失稳最严重的还是支座。经过近两周的准备,历经方案设计、模型修正一直到最终这个尚未成型的作品,虽然还不完美,但是凝聚了我们组员的心血。〔1由三角型横梁结构,加以想象设计,最终采用的方