龙门吊结构创新设计.docx
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龙门吊结构创新设计
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
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。
(2)502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
1
900*3*2mm
2
900*3*3mm
3
900*3*6mm
4
900*1*6mm
5
900*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。
A节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*1
12200
2
6*1
5719.35
4
2*2
17082.6
3
3*2
7900.40
3
图4.2截面1
图4.3截面2
图4.4截面3
图4.5截面4
4.2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:
SET
TIME/FREQ
LOADSTEP
SUBSTEP
CUMULATIVE
21
-0.58145
1
21
21
22
1.3370
1
22
22
23
1.5543
1
23
23
24
1.7720
1
24
24
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,最终采用的方案为上拱形横梁结构。
整个起重机由类三角支座支承,而受力由上拱型结构承受。
(2)运用拱形结构能承受较大的压力的特点,制作上拱形的横梁结构。
(3)遵循桁架的受力原则,保证杆与杆之间的贯通和相贯搭接。
在受力较大较复杂处使用增大截面,不仅节省了材料,使结构重量变轻,而且符合受力要求。
(4)结合各构件的受力特点,设计的三种节点不仅可以提高强度,还能提高其稳定性
本次设计的结构能够充分发挥材料的特性,具有重量轻、强度高,稳定性强的特点。
但是作品必然存在这样那样的问题,希望在这次交流中能够和班上同学充分地交流。
感谢老师能够给予机会参加这个课程设计,特别感谢老师的辛苦指导,也要感谢各位同学的无私帮助。
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- 关 键 词:
- 龙门吊 结构 创新 设计