平頭式塔機(jī)起重機(jī)平衡臂設(shè)計(jì)

1、一 問題分析題目：平頭式塔機(jī)起重機(jī)平衡臂設(shè)計(jì)載荷確定1. 臂架自重參考同類型產(chǎn)品根據(jù)比例假定臂架自重3T2. 配重由任務(wù)書知配重為15.7T3. 起升機(jī)構(gòu)重量為2.7T4. 風(fēng)載荷按照我國塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T13752-92)Pw=CwPwACw為風(fēng)力系數(shù)，查表Cw=1.3Pw為計(jì)算風(fēng)壓，查表的Pw=250MpaA為迎風(fēng)面積A=A1+A2A1=w1*A11 A1=W1*A11 A2=w2*A2 取w1,w2為0.4=0.4 A1=HLA1=w1*H*L=4A2=w2*H*L*=1.6 A=5.6Fw=1820N風(fēng)力除以臂架長度迎風(fēng)面取100N/m，擋風(fēng)面積取30N/m5. 其他水平力回

2、轉(zhuǎn)慣性力T=0.1*Q(Q為配重)T=0.1*15.7T*g=15700N該平衡臂機(jī)構(gòu)采用格構(gòu)式等三角形，上弦采用圓鋼管或方管，下弦采用兩個(gè)箱形截面，每個(gè)箱形截面可由兩個(gè)角鋼（或槽鋼，鋼板焊接而成）材料選擇：該塔機(jī)功率較大配重達(dá)15.7T，故初選材料Q345B.彈性模量，210e9Mpa，泊松比0.3。鋼材密度為7850kg/m³結(jié)構(gòu)分析：手工初步計(jì)算時(shí)將該平衡臂簡化為懸臂梁然后初選截面尺寸，確定臂架結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)所受載荷以及約束條件，經(jīng)過強(qiáng)度，剛度以及穩(wěn)定性計(jì)算各結(jié)構(gòu)精確尺寸。最后要進(jìn)行載荷校核優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。 有限元分析時(shí)由于平衡臂受水平方向載荷以及豎直方向上載荷而且結(jié)構(gòu)為空間立體

3、結(jié)構(gòu)故簡化模型應(yīng)為三維模型梁結(jié)構(gòu)。約束條件：平衡臂與塔身連接，兩根下肢與塔身鉸接需要限制五個(gè)自由度（僅繞Z軸旋轉(zhuǎn)自由度未被限制），上主肢也與主肢鉸接，但考慮到他們實(shí)際連接性狀上主肢 塔身連接可等效為僅僅限制X軸方向上的自由度。載荷條件：設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)在最惡劣載荷條件下計(jì)算，在豎直平面內(nèi)受自重及平衡自重。臂架自重通過密度及重力加速度實(shí)現(xiàn)平衡重自重則用均布載荷代替。水平平面受風(fēng)載荷以及回轉(zhuǎn)慣性力，風(fēng)載荷通過均布載荷實(shí)現(xiàn)，擋風(fēng)面所受載荷為迎風(fēng)面0.3，回轉(zhuǎn)慣性力通過水平橫向均布載荷代替。卷筒水平力該力較小且忽略該力臂架受力仍為最惡劣受力狀態(tài)簡化受力模型忽略該力。二 實(shí)驗(yàn)過程1. 單元選擇根據(jù)平衡臂結(jié)構(gòu)特

4、征把平衡臂桿件處理成梁單元。選擇beam188單元進(jìn)行模擬就可以滿足分析要求。下面對beam188單元進(jìn)行簡介：三維梁單元beam188單元的節(jié)點(diǎn)位置，幾何形狀，坐標(biāo)體系如圖所示。Beam188是一種線性；梁單元，他是建立在timoshenke分析理論基礎(chǔ)上的。Beam188單元增強(qiáng)了單元截面形狀定義功能，用戶可以通過相關(guān)操作定義單元形狀。而且還支持自定義功能。Beam188單元對單元的剪切變形也進(jìn)行考慮。Beam188單元還改進(jìn)了梁構(gòu)件另兩維的可視化特性，可以讓用戶清晰的看到各個(gè)部位的應(yīng)力和變形。Beam188單元的keyopt（1）設(shè)置 為1時(shí)增加扭曲幅度自由度，beam188單元的程序默

5、認(rèn)設(shè)置值為0，也就是認(rèn)為橫截面的扭曲幅度足夠小到可以忽略。Beam188單元可以通過參數(shù)secdata、secoffset、sectype、secwrite、secread定義截面，截面與單元用截面ID號（SECNUM）來關(guān)聯(lián)，截面號是獨(dú)立的單元屬性。2.建模及設(shè)置基本屬性1）設(shè)置文件基本屬性，定義單元類型beam188并分別定義上主肢，下主肢、斜腹桿及水平腹桿截面形狀。彈性模量210e9Mpa，泊松比0.3，鋼材密度。7850kg/m³2）在總體笛卡爾坐標(biāo)系中輸入各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)3）將各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)連接，形成平衡臂簡化結(jié)構(gòu)3.劃分網(wǎng)格 1）經(jīng)分析選擇單元格長度為1m比較合適。選擇單元格

6、長度為1m?？偣?01個(gè)單元格。2）對各個(gè)桿件進(jìn)行網(wǎng)格劃分并賦予其界面屬性。平衡臂結(jié)構(gòu)如 圖一：平衡臂簡化圖4加載求解1） 施加邊界約束，平衡臂與塔身連接，兩根下肢與塔身鉸接需要限制五個(gè)自由度（僅繞Z軸旋轉(zhuǎn)自由度未被限制），上主肢也與主肢鉸接，但考慮到他們實(shí)際連接性狀上主肢與塔身連接可等效為僅僅限制X軸方向上的自由度。2） 在豎直平面內(nèi)受自重及平衡重。臂架自重通過密度及重力加速度實(shí)現(xiàn)平衡重自重則用均布載荷代替，水平平面內(nèi)受風(fēng)載荷以及回轉(zhuǎn)慣性力，風(fēng)載荷通過均布載荷實(shí)現(xiàn)的，擋風(fēng)面所受載荷為迎風(fēng)面0.3回轉(zhuǎn)慣性力通過與風(fēng)載荷同向的水平橫向均布載荷代替。平衡重重量通過均不載荷400000N來實(shí)現(xiàn)。3）

7、 點(diǎn)擊Main menusolutioncurrent LS進(jìn)行求解。 5通用后處理1）軸力圖 圖二：平衡臂軸力圖2） 彎矩圖 圖三：平衡臂彎矩起升面內(nèi)彎矩較大主要集中在與塔身連接處，最大為9983n*m.3）剪力圖 圖四：平衡臂剪力圖動(dòng)載剪力最大存在4）變形圖： 圖五：平衡臂變形圖 動(dòng)載最大變形0.2cm 5）結(jié)果討論 從圖中可以看出ansys分析結(jié)果與手工技術(shù)相差較大，但最危險(xiǎn)處出現(xiàn)處（剪力、應(yīng)力最大處）與手工計(jì)算的地點(diǎn)相同。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是多方面的。1. 手工計(jì)算時(shí)簡化臂架結(jié)構(gòu)為懸臂梁而ansys分析時(shí)卻簡化為剛性桁架結(jié)構(gòu)，這就不可避免的產(chǎn)生了較大的誤差。2. ansys分析時(shí)所加約束與實(shí)際約束也有較大差距，同時(shí)風(fēng)載荷、回轉(zhuǎn)慣性力、平衡重自重的替代與實(shí)際條件相比做了大量簡化也存在較大誤差。3. 對于應(yīng)力，在手工計(jì)算時(shí)主要考慮臂架的穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)主要進(jìn)行計(jì)算所取應(yīng)力為不失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力，而有限元分析時(shí)主要分析臂架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并未考慮整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，兩者計(jì)算結(jié)果存在較大系統(tǒng)誤差。4. 手工計(jì)算時(shí)選取界截面尺寸取較大值，按照該截面進(jìn)行有限元分析結(jié)果必然較小。雖然能較好滿足設(shè)計(jì)要求但造成材料的極大浪費(fèi)。四、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 通過一周的課程設(shè)計(jì)，使我加強(qiáng)了對anasys的了解，能夠熟練使用anasys軟件計(jì)算、分析塔