液压克令吊结构设计及关键部件静动态分析（可编辑）

1、 学校代码: 10289 分类号: th213 密 级: 公 开 学 号: 092020051液压克令吊结构江苏科技大学 设计及关硕 士 学 位 论 文 键部件静动液 压克令 吊结 构设计 及关 键部件 态分静 动态分 析 析 范晓卫研究生姓 名范晓卫导师姓 名佘建国申请学位类别工学硕士学位 学位授予单位 江苏科技大学学 科 专 业 机 械设计及理论 论文提交 日期 2012 年4 月28 日江研 究 方 向 现代机 械系统设计技术及苏论文答辩日期2012 年5 月30 日 性能评价 科技答辩委员会主席 评阅人大学2012 年 5 月 28 日 分类号 :th213 密 级: 公 开 学 号:

2、 092020051 江苏科技 大学 硕士 学位论文液 压克令 吊结 构设计 及关 键部件 静 动态分 析 学生姓名 范晓卫 指导教师 佘建国 教授江苏科技 大学 二 o 一二 年 五月 a thesis submitted in fulfillment of the requirementsfor the degree of master of engineeringstructural design of hydraulic crane and static and dynamic analysis of the key parts submitted byfan xiaoweisuper

3、vised byprofessor she jianguojiangsu university of science and technologymay, 2012江 苏 科技 大 学学 位 论文 原 创性 声 明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本 声 明的法律 结果由 本 人承担。 学位论文作 者签名 : 年月日 江 苏 科技 大 学学 位 论文 版 权使 用 授权 书本学位论

4、 文作者完 全了解学 校有关保 留、使用 学位论文 的规定 ,同意学校 保留并向 国家有关 部门或机 构送交论 文的复印 件和电子 版 ,允许论文 被查阅和 借阅。本 人授权江 苏科技大 学可以将 本学位论 文 的全部或部 分内容编 入有关数 据库进行 检索,可 以采用影 印、缩印 或 扫描等复制 手段保 存 和汇编本 学位论 文 。本学位论 文属于 : 1保密,在年解密后 适用本 授 权书。 2 不 保密 。学位论文 作者签 名 :指导教师 签名: 年月日 年月日摘 要 摘 要 液 压 克 令 吊 是 船 舶 上 普 遍 使 用 的 一 种 装 卸 货 设 备 , 在 额 定 的 载 荷 下

5、 可 以 实 现 起升、 变幅和回转三种运动, 具有结构紧凑、 操作简单、 装卸效率高等特点。 本文针对散货船 35t/30m 液压 克 令吊 进行设计, 在整体 结构设计的基础上, 根据 液压克令吊的受力特点, 对关键部 件吊臂进行了结构静力分析以及模态分析 , 并对 回转机构进行动力学仿真 ,为同类型产品的开发提供了一定的指导。 论文主要研究了以下内容: 1. 根 据 液 压 克 令 吊 的 主 要 设 计 参 数 , 确 定 了 整 体 设 计 方 案 , 对 液 压 克 令 吊 的 起升机 构、 变幅机构和回转机构 等进行了详细的结构设计, 并应用 solidworks 软件建立了整机

6、的三维模型。 2. 应用 有限元分析软件 ansys 对主要受力部件吊臂进行结构静力分析, 得到了吊臂在最大工作半径、 最小工作半径两个极限工况下 的应力和位移分布规律, 证明吊臂的强度和刚度 均满足要求。 3. 应用 有限元分析软件 ansys 对吊臂进行有限元模态分析, 提取 了吊臂的前十阶固有频率, 绘制出相应的振型图, 并计算发动机、 卷筒振动及货物偏摆 等引起的工作频率, 证明 不会发生共振现象。 4. 应用 动力学仿真软件 adams 对液压克 令吊回转机构进行动力学仿真, 研究回转机构在最大工作半径起吊额定载荷工况下 ,货物对吊臂头部动载荷的变化规律,为回转机构设计提供一定的理论

7、依据 。关键词 液压克令吊 ;结构设计;有限元分析; 动力学仿真iii abstract abstract hydraulic crane is a loading and unloading equipment on a ship, which can achieve hoisting, luffing and slewing in the rated load. it has many advantages, such as compact structure, simple operation and high efficiency of loading and unloading. t

8、he article did a design for 35t/30m hydraulic crane used on bulk carriers. on the basis of overall design, the article made the static analysis and modal analysis of crane boom, then finished the dynamics simulation about the slewing mechanism. these can provide guidance for the development of simil

9、ar productsthe main research work contains: 1. according to the design parameters of the hydraulic crane, we decided the overall programme. then we carried out a detailed structural design of hydraulic crane s hoisting mechanism, luffing mechanism and slewing mechanism. besides we established the th

10、ree dimensional model of the hydraulic crane by solidworks2. the boom s static analysis in the imum and minimum working radius conditions was finished by ansys, we got the distributional regularities of stress and displacement under two work conditions. the results showed that the boom s strength an

11、d stiffness met the requirements3. the boom s modal anaysis was finished by ansys. we extracted foremost 10-order type vibrational frequency and reaction of the boom. then we calculated the working frequencies caused by the engine s vibration, the cargo s deflection and so on. the comparing result p

12、roved that the resonance phenomenon won t happen4. the dynamics simulation about the crane s slewing mechanism was finished by adams. we studied the dynamic load s variation in the condition of the imum working radius and lifting the rated load. the simulation result can provide theoretical basis fo

13、r the design of slewing mechanismkeywords hydraulic crane; structural design; finite element analysis; dynamics simulationiii iv 目 录 目 录 摘 要 i abstract. iii 第 1 章 绪论. 1 1.1 课题研究的背景及意义1 1.2 国内外相关领域的研究现状 2 1.3 本文研究内容 7 1.3.1 主要研究内容 7 1.3.2 章节安排7 1.4 本章小结8 第 2 章 基本理论9 2.1 有限元基 本理论9 2.1.1 弹性力学基本方程. 9 2.

14、1.2 有限元分析的基本原理 11 2.1.3 有限元分析的求解过程 11 2.2 模态分析理论. 13 2.2.1 概述13 2.2.2 模态分析理论基础13 2.3 动力学理论14 2.3.1 概述14 2.3.2 多刚体系统动力学14 2.3.3 多柔体系统动力学15 2.3.4 多体系统动力学方程求解17 2.4 本章小结 19 第 3 章 液压克令吊结构设计. 20 3.1 概述20 3.2 作业条件和主要技术参数20 3.2.1 作业条件 20 3.2.2 主要技术参数. 20 3.3 结构设计 21 3.3.1 基本结构和工作原理. 21 3.3.2 起升机构 21 3.3.3

15、变幅机构 24 3.3.4 回转机构 27 3.3.5 金属结构 31 3.3.6 系统设计 33 3.4 液压克令吊的装配体模型34 3.5 本章小结 35v 江苏科技大学工学硕士学位论文 第 4 章 吊臂结构静力分析36 4.1 ansys 简介. 36 4.2 计算对象 36 4.3 有限元模型37 4.3.1 模型的简化及网格划分 37 4.3.2 材料性能参数. 37 4.3.3 计算工况 38 4.3.4 加载方法与约束处理. 38 4.4 评定标准 39 4.5 计算结果及分析 39 4.5.1 工况 1 计算结果及分析 39 4.5.2 工况 2 计算结果及分析 41 4.6

16、本章小结 42 第 5 章 吊臂结构动力学模态分析43 5.1 模态提取方法. 43 5.2 模态振型图和固有频率表44 5.3 工作频率计算. 50 5.4 计算结果分析. 51 5.5 本章小结 51 第 6 章 回转机构动力学仿真. 52 6.1 adams 简介 52 6.2 钢丝绳建模53 6.2.1 钢丝绳建模的常用方法 53 6.2.2 采用轴套力建立起升钢丝绳模型53 6.3 回转机构动力学仿真. 55 6.3.1 建立金属结构模型55 6.3.2 添加约束 56 6.3.3 添加载荷和驱动 56 6.3.4 虚拟样机模型. 57 6.3.5 仿真结果及分析 57 6.4 本章

17、小结 58 总结与展望. 59 参考文献61 攻读硕士学位期间发表的学术论文 64 致谢. 65vi contents contents abstract chinese. i abstract englishiii chapter 1 preface. 1 1.1 background and significance of the reserach1 1.2 current research status. 2 1.3 research contents and chapters arrangement of the thesis 7 1.3.1 research contents7 1.

18、3.2 chapter summary7 1.4 brief summary. 8 chapter 2 basic theory9 2.1 the basic theory of finite element. 9 2.1.1 basic equations of elastic mechanics9 2.1.2 basic principles of finite element analysis. 11 2.1.3 procedure of finite element analysis. 11 2.2 theory of modal analysis. 13 2.2.1 summary.

19、 13 2.2.2 theoretical foundation of modal analysis13 2.3 dynamics theory14 2.3.1 summary. 14 2.3.2 multi-rigid body dynamics analysis system14 2.3.3 multi-flex body dynamics analysis system 15 2.3.4 keys to dynamic equations. 17 2.4 brief summary19 chapter 3 design of hydraulic crane. 20 3.1 summary

20、20 3.2 work condition and main technical parameters 20 3.2.1 work condition. 20 3.2.2 main technical parameters20 3.3 design of structure21 3.3.1 structure and operation principle 21 3.3.2 hoisting mechanism21 3.3.3 luffing mechanism. 24 3.3.4 slewing mechanism 27 3.3.5 metal structure31 3.3.6 desig

21、n of system. 33 3.4 assembly model of hydraulic crane 34 3.5 brief summary35vii 江苏科技大学工学硕士学位论文 chapter 4 static analysis of the boom36 4.1 introduction of ansys 36 4.2 object of analysis 36 4.3 finite element model. 37 4.3.1 simplified model and meshing. 37 4.3.2 property parameter of material. 37 4

22、.3.3 analysis in working conditions 38 4.3.4 loads and boundary conditions38 4.4 evaluation standard 39 4.5 calculation results and analysis 39 4.5.1 calculation and result analysis of first working condition. 39 4.5.2 calculation and result analysis of second working condition41 4.6 brief summary42

23、 chapter 5 modal analysis of the boom. 43 5.1 extract methods of modal 43 5.2 mode of vibration and natural frequency 44 5.3 calculation of working frequency50 5.4 calculation and result analysis. 51 5.5 brief summary51 chapter 6 dynamics simulation of slewing mechanism 52 6.1 introduction of adams5

24、2 6.2 build wirerope model 53 6.2.1 common modeling methods of wirerope 53 6.2.2 build wirerope model by bushing53 6.3 dynamics simulation of slewing mechanism 55 6.3.1 build structure model 55 6.3.2 add constraint56 6.3.3 add load and drive. 56 6.3.4 virtual prototype model57 6.3.5 analysis of simu

25、lation result. 57 6.4 brief summary58 conclusions and prospects 59 references61 enunciable academic paper during master education 64 acknowledgement. 65viii 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的 背景 及 意义 随着我国经济 建设的发展, 内外贸易量不断增加, 从而使海上运输和内河运输量迅速地 增长。 为了适应形势发展的需要, 我们 应不断增加船舶的数量, 但同时也应该提高装卸货物的效率,充分发挥船舶 的运输能力,提高经济

26、效益。 为了提高货物的装卸效率, 不同类型的船舶通常采用不同的装卸货物方式。 例如:矿砂船、 煤船及装谷物等散货船一般有专门的码头和设施, 但有时候它也需要在开阔水面进行过驳, 所以这类船舶必须安装各种类型的船用起重机。 目前大多数货物是成捆、 成袋、 成箱的包装货物, 这类货物通常用干货 船来运输, 所以为了便于进行装卸货物工作,要求干货船也安装各种类型的 起重机。虽然目前港口装卸机械日益发展,但是在缺少港口装卸设备的情况下以及在开阔水面过驳时, 矿砂船、 煤船、 装谷物等散货船以及干货船, 都需要安装各种类型的起重机, 其它类型船舶为了起吊软管、 备件、 食品及起吊人员等, 也需要装备一定

27、工作幅度和起吊能力的起重机。 船用起重机的性能对提高装卸货物效率, 缩短船舶在港口停留时间, 加快货物流通, 促进内外贸1易和经济的发展具有非常重要的意义 。 据权威机构统计,2011 年我国造船完工量、 新接订单量、 手持订单量分别占 世界市场份额的 45.1% 、52.2% 、43.3% 。 虽然我国造船产量在不断地增加, 但是船舶配套设备国产化率相对较低, 只能依靠大量进口国外的船舶配套设备, 而相比之下, 日本国产船舶配套设备国产化率为 9598% , 韩国国产船舶配套设备国产化率为 85% 左右,这对我国船舶工业的价格优势是一种消解。2003 年底, 国防科工委提 出 加快我国 船舶

28、 配 套 工 业发 展 的思 路和 建 议 ,其 指 导思 想之 一 就 是 , 以 培 育自 主研 发 能 力 、提 高本土化设备装船率为根本目的, 充分利用国内 外各种可以利用的资源, 尽快把我国船2舶配套工业做大做强 。 我国要想建设成为全世界第一造船大国, 必须使我国成为船舶配套制造大国。 甲板机械方面,我国甲板机械制造主要还是依靠引进国外知名品牌的技术生产,自主研发能力比较薄弱, 利用引进国外技术生产的甲板机械和进口的甲板机械占据市场主导地位。 而且, 国 外的公司根本不转让一些比较关键的控制部件和高压液压件技3术, 只能依赖进口 。 克令吊作为重要的甲板设备, 基本上被国外品牌垄断

29、, 目前大多采用瑞典赫格隆、法国 blm 、德国 tts 等的产品,如果我们能够加快消化、吸收已引进的技术, 同时加大投入自主研发, 创建自己的品牌, 将极大推动我国船舶配套1 江苏科技大学工学硕士学位论文 业的发展 。 1.2 国内外 相关 领域 的 研究现状 长期以来, 克令吊 的设计往往采用以数学和古典力学为基础的半 理论、 半经验设计法、 直觉法和类比法等传统的设计方法, 设计周期比较长, 设计的精度也 较低。近年来, 伴随着计算机技术和系统工程、 可靠 性工程、 人机工程、 优化工程等现代设计理论的发展,克令吊的设计研究 进入高效率、高品质、不断创新的新阶段。 1. 计算机辅助设计(

30、cad ) 计算机辅助设计技术是设计技术和计算机技术互相结合的一门交叉综合技术, 在过去相当长的一段时间内, 计算机系统在工程和产品设计中的应用主要以解决工程和产品的 设计 计 算及 图形 表达为 主要 目的。 随着 科学技 术的 不断发 展,cad 技术 也正处不断发展之中, 现代 cad 技术以现代设计技术及相关学科的研究成果为技术背景,针对工程和产品的设计阶段以其全寿命周期内相关设计、计算、分析、仿真等问题,能使设计工作实现 集成化、 网络化和智能化, 以达到提高工程和产品设计质量, 降低4成本, 缩短设计周期的目的 。 目前,我国在这方面还处于起始阶段,而国外的一些企业,像日本的三菱公

31、司、法国的 potain 公司、 美国的 poclain 公司 等,早已普遍采用 cad 技术。德国的demag 公司还开发出集 设计和报价于一身 的 cad 系统,只要把起重 机的基本参数和基本的结构造型在系统的图形菜单上进行选择, 系统便能迅速完成设计计算和标准部件的选择、 输出总图和主要的技术参数, 汇总所需零部件的数量、 价格、 工时以及各5项成本后,对该起重机进行报价 。 2. 有限元分析法 有限元方法是将弹性理论、 计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术。 有限元的基本思想是将物体离散成有限个且按一定方式相互联结在一起的单元的组合, 来模拟或逼近原来的物体, 从而将

32、一个连续的无限自由度问题简化为离6散的有限自由度问题求解的一种数值分析方法 。由 于单元可以被分 割成各种形状和大小不同的尺寸, 所以它能很好地适应复杂的几何形状、 复杂的材料特性和复杂的边界条件, 再加上有成熟的大型软件系统支持, 它已成为一种非常受欢迎的、 应用极广7的数值计算方法 。 目前有限元法在克令吊 的设计过程中被广泛采用, 用于 对克令吊整机结构和关键零部件进行静态和动态分析、 线性和非线性分析等, 通过分析计算, 能够得到符合实际结构边界条件, 反应实际工况的结果。 武汉理工大学 的胡伟、 周于海 以新型甲板起重机为例, 选取了起重机的几个 典型工况, 用有限元法对吊臂和塔身进

33、行结构强度和2 第 1 章 绪论 刚度计算, 得到应力分 布和变形情况。 武汉理工大学 的王真以单臂架起重机臂架为研究对象, 采 用有限元法对臂架的变幅工况进行运动数值仿真, 得到所关心的幅度下臂架的应力应变等力学特性, 并对 该臂架进行了模态分析以及 臂架在货物突然起吊 时动载荷情况的瞬态分析。 3. 动态仿真设计 克令吊往往 在复杂的工况下进行工作, 很多因素都能影响它的 动态性能, 通常无法用一个简单的数学模型来表达运动参数和载荷。 而以往 克令吊的设计大都以静态为主, 只分析在某些特殊工况下的受力和变形情况, 所以得到的结果会有一定的局限性。要分析克令吊的动态特性, 可以通过实验的方法

34、来完成 , 但是需要把克令吊制造成产品, 这样 不但提高了成本, 而且延长了研发周期。 目前国内外在克令吊的设计过程中普遍采用动态仿真设计方法, 仿真模拟克令吊在各种工况下的运行状态, 得到的仿真数据用来对设计方案进行评估。 日本研究者 tani zum kazuya 运用状态轨迹和 newton-raphson 方法确 定的速度模8式来研究起重机载荷的振荡 。 沈阳交通工程 局 的孙观福采用结构的柔性多体模式对9起重机驱动系统的柔性变形进行了研究 。 大 连海事大学 的杨海军用 adams 平台建立液压克令吊的金属结构及液压系统的动力学仿真模型, 进 行动态特性分析, 为整个10系统的设计提

35、供了参考和理论依据 。 武汉理 工大学 的程茂林以武汉理工大学和上海海 湾 机 电 港 口 工 程 有 限 公 司 联 合 设 计 的 50t 全 液 压 船 用 甲 板 起 重 机 为 模 型 , 利 用adams 平台对其主变幅机构的液压传动系统回路进行动力学仿真, 研究 了液压传动11系统回路与整机多刚体虚拟样机系统之间的动力关系 。 4. 可靠性设计 1947 年, 费罗伊登彻尔发表了 “结构安全度” 一文, 奠定了结构可靠性的理论基12础 。 可靠性设计立足 于系统工程方法, 运用概率论与数理统计等数学工具, 对产品的可靠性问题进行定量的分析,采用 失效分析方法和逻辑推理对产品故障进

36、行研究,找出薄弱环节, 确定提高产品可靠性的途径, 并综合地权衡经济、 功能等方面的得失,将产品的可靠性提高到满意的程度。 克令吊的工 作环境通常有一定的限制, 使得克令吊工作时容易发生一系列故障, 这样 不但会造成经济上的损失, 而且可能对工作人员的人身造成伤害,所以克令吊的可靠性问题越来越受到用户的关注。 自 20 世纪 70 年代以来, 日本、 美国、 德国等 在克令吊的设计上都采用了可靠性设计方法, 而且很多企业都制订了相关的可靠性标准。 武汉理工大学 的李丽娜以单梁龙门起重机为对象, 介绍 了结构可靠性分析 的实用方法, 并针对蒙特卡罗法和随机有13限元的运用做了具体的分析, 实现起

37、重机结构可靠性分析在有限元法中的应用 。大连交通大学 的马思群、 马瑞、 孙彦彬以门座起重机为对象, 对门座起重机臂架系统进行了 有限元计算, 并在此基础上对该型号起重机进行故障影响分析, 由可靠性分析得3 江苏科技大学工学硕士学位论文 出起重机臂架主要故障模式的 rpn 值,对企业用户在今后的使用和维修提供了重要14的参考依据 。 5. 优化设计 优化设计是 60 年代随 着电子计算机的广泛使用而迅速发展起来的一门新的学科,它是最优化技术和计算机技术在计算机领域中应用的结果, 可以从众多的 设计方案中寻得尽可能完善或最适宜的设计方案。 克令吊 的设计长期以来采用的是经验类比设计方法,并且也只

38、是对为数不多的候选方案 进行 对比分析,所以往往很难得到最优解,设计周期也比较长。 如果 在克令吊的设计过程 中采用优化设计方法, 能根据产品的要求, 合理地确定各项参数, 不仅可以减轻结构的自重, 降低材料消耗与制造成本, 而且可以提高克令吊的承载能力和工作性能,同时还能大大缩短产品 的设计周期。 20 世纪 70 年代初,美国、德国、日本等国家采用优化设计方法,以重量最轻为目标函数对桥式起重机主梁进行设计。 大连理工大学 的孙庆以甲板起重 机吊臂为研究对象, 以 ansys 为工具, 利用其参数化设计语言进行二次开发, 建立甲板起重机吊臂的专用开发系统, 探索如何将有限元参数化技术、 优化

39、技术应用于机械结构的设计15和优化 。 上海 708 研 究所 的孙雪荣、 许彬对某型号克令吊的 底座加强结构 强度进行不同方案的优化分析及计算, 分 8 种不同的工况和 8 种不同的设计优化方案 进行了具16体的分析和比较, 为今后克令吊底座加强结构的优化设计分析 提供了一定参考 。中国特种设备检测研究院 的赵九峰以体积最小为目标函数 , 运用有限元软件对克令吊在17满足应力和变形的约束条件下进行了优化设计 ,从而节省了大量材料 。 6. 疲劳设计 疲劳设计是对承受循环应力的零件和构件,根据疲劳强度理论和疲劳试验数据,决定其合理的结构和尺寸的机械设计方法。 目前疲劳设计理论已经从以最大应力为

40、主要变量发展到以最大 应 力幅值为主要变量, 近 年来又将可靠性理论 引 入疲劳强度 设计, 采用近似概率法、 极限状态法、 全概率法, 还可以采用统计断裂力学理论来计算机械结构疲劳失效概率。 克令吊通常在比较恶劣的环境下工作, 而且随着克令吊朝着大吨位、 高速度方向的发展, 其 主要受力结构 的工作应力越来越大, 主要的失效形式18之一就是在随机载荷作用下的 疲劳破坏,所以疲劳设计越来越受到重视 。 以 三 菱 重 工 为 代 表 的 日 本 大 型 起 重 机 结 构 设 计 技 术 在 全 球 技 术 市 场 具 有 鲜 明 的技术特色和领先的优势, 其核心技术之一就是基于应力幅法的结构

41、疲劳寿命设计与评估技术。 西南交通大学 的张亚军以 u 型门式起重机 为对象, 对其门架结构 的疲劳寿命进行理论研究, 计算疲劳裂纹在确定工况和确定长度下的应力强度因子, 结合帕里斯19公式对起重机疲劳寿命进行估算 。 昆明理工 大学 的季庸惠、 董为民以桥式起重机为对象, 采用循环计数的方法, 计算出载荷和应力幅的频率分布, 并 用 概率密度函数进20行拟合,为桥式起重机 的疲劳设计提供了参考资料 。4 第 1 章 绪论 7. 反求工程设计 目前世界 工业领域的竞争日益激烈, 各企业必须降低成本, 缩短设计和生产周期,提高产品质量, 并充分吸收和利用现代高新技术成果, 增强自身的竞争力, 这

42、就导致了反求设计方法的广泛应用。 反求设计的基本思想是: 对已有产品进行分析, 明确产品各个组成部分及不同部件的内在联系, 并与传统设计方法相结合, 最后从功能、 原理、 布局等不同的需求角度对产品模型进行修改和再设计。 与传统设计不同, 反求 设计是从已知事物的有关信息出发, 去寻求这些信息的科学性、 技术性、 先进性、 经济性、 合理性等 , 并充分 消化和吸收, 而且更为重要的是在这个基础上进行改进、 挖潜、再创造。 我国在对国外克令吊先进技术的引进和消化过程中也运用过反求设计的方法, 取得了不错的效果。 华中科技大学 的姜翠香以后摇杆驱动臂架起重机为对象, 采用反求21工程设计原理,

43、对该起重机的变幅机构运动学做了相关研究 。 大连 工程机械研究所的 高 顺 德 、 刘佃 富 、 邢玉 生 运 用 反 求工 程 设 计和 优 化 设 计 相结 合 的 方法 , 对 304304型随车起重机的变幅机构进行反求, 得到该起重机近似 的尺寸, 并将反求设计得到的22尺寸参数进行优化,最终得到该新型变幅机构合理的尺寸参数 。 8. 模块化设计 模块化设计是在对一定范围内的不同功能或者相同功能不同性能、 不同规格的产品进行功能分析的基础上, 划分并设计出一系列功能模块, 通过模块的选择和组合就可以构成不同的产品, 它 是在生产部门快速地 响应市场, 缩短产品设计周期, 降低产品的成本

44、的要求下提出的。 模块化概念和标准化、 通用化、 系列化是分不开的, 它是“三化” 原理在应用上的发展。 克令吊的非标产品往往比较多, 参数的规格也具有多样性, 采用传统的设计方法, 往往 会导致设计重复, 延长了设计周期, 提高了产品的成本,并且产品的通用化程度比较低。 20 世纪 70 年代 , 瑞典 linden 公司首先把模块 化 设计方法应用到塔式起重机的开发过程中,用有限的模 块有机组合成适 用 于 各 种 具 体 施 工 需 要 的 塔 机 。 德国 demag公司采用模块化设计技术进行单梁起重机的设计后, 设计成本和生产成本分别降低了12% 和 45% 。 大连理工 大学 的蔡

45、盛保以吊钩双梁式起重机为基型产品, 以功能分析为基础, 对这些基型产品进行了模块的划分, 建立了桥式起重机的基型模块, 对运行模23块进行了详细的模块化设计 。 太原科技大学 的张宇、 张亮有以起重机的起升机构为例, 详细说明了起升机构模块化设计过程中模块的划分、 模块的组合、 具体的 设计实24现方法 。中北大学 的 张伟强、王宗彦、吴淑芳以 vb 和 solidworks 为工具和平台,开发了门式起重机模块化快速设计系统, 从而 提高了门式起重机的设计效率和产品的25质量 。 9. 极限状态设计5 江苏科技大学工学硕士学位论文 起重机 金属结构设计通常采用的是许用应力法, 给设计的结构留有

46、一定的安全裕度, 比如采用一定的安全系数, 但是因为材 料和载荷往往具有不确定性, 所以安全裕度的可靠程度不一定能够保证, 并 且安全系数的取值在不同的设计规范中也往往有不同的取值。 而极限状态法就克服了许用应力法的一些不足, 其原理是将结构置于各种可能的极限状态 之下进行分析, 并以概率论和可靠性理论为基础, 充分考虑了载荷效应、 结构抗力的变异性, 根据对结构的材料、 所受载荷以及工作情况的统计分析计算26具体结构的可靠度 。 欧 洲 钢 结 构 疲 劳 设 计 规 范 (eccs ) 和 美 国 桥 式 起 重 机 设 计 规 范 (aisc-irfo )均对起重机采用极限状态设计方法。

47、 大连理工大学 的郭云志以 quy200 型履带起重机吊臂结构为例, 采用极限状态法对吊臂结构的强度和整体稳定性进行 校核, 并与许用应力法进行了分析比较,证明了采用极限状态法的优越性。太原科技大学 的徐格宁、詹鹏以 双梁门式起重机为例, 采 用极限状态法和许 用应力法对该门机金属结构进行设计, 计算结果表明 极限状态法设计的结构安全性更高, 而且经济性更好。 大连理工大学的翟甲昌, 王怀建在桥式起重机的焊接梁疲劳强度分析中运用了极限状态法, 而且提出了使用设计式。 10. 参数化设计 参数化设计 是 cad 在实际应用中提出的课题, 它是 cad 应用领域的一个重要课27题 。 参数化设计与

48、传 统的设计不同, 它储存了整个设计过程, 能够设计出一族形状和功能上有相似性的产品, 它 是运用程序将产品结构参数化, 设计过程中只需要输入产品的基本参数, 就能自动生成产品, 这样工程人员不需要考虑具体细节, 精 确计算结果由计算机自动生成, 同时可以通过变动某些参数和约束关系来更新设计。 对于同类型的起重机,结构形式等方面都比较相似,所以就比较适合利用参数化设计方法,这样可以避免重复性设计,提高设计效率 ,更快地满足市场的需求。 edwin 等 提 出 了 一 种 基 于 cad 的 设 计 参 数 化 方 法 , 把 pro/e 、ansys 和28mscnastran 连接,直接引入

49、形状优化设计系统 。太原理工大学的 姚爱英,李志锋采用全参数计算机辅助设计方法,开发出桥式起重机桥架的 cad 专业设计软件,目29前国内一些大型起重机厂已投入生产使用 。 王良文以 pro/e 的二次开发为基础, 对塔式起重机的参数化设计技术进行 研究, 论述了塔机的参数化设计过程。 黄进前、 朱娟以专家系统和模型库为支撑, 开发出岸边集装箱起重机参数化设计系统, 该系统自动生成计算书和工程图等,大大缩短了设计周期。6 第 1 章 绪论 1.3 本文研究内容 1.3.1 主要 研究内容 克令吊, 又称船用起重机, 是船上的一种大甲板机械, 它是一种船舶装卸货物的设备, 在额定的载荷下可以实现

50、起升、 变幅和回 转三种运动。 克令吊 根据动力源可以分为手动、电动、液压三种类型, 液压克令吊是船舶上普遍使用的一种装卸货设备,本论文针对 散货船 35t/30m 液压克令吊进行设计 ,主要研究的内容如下: 1. 通过船舶设备公司现场和市场的调研, 确定了液压克令吊的整体设计方案。 然后以理论力学、 材料力学等为基础, 依据 起重机设计手册 、 船舶与海上设施起重设备规范 、 起重机设计规范 等确定液压克令吊的 一些设计参数和计算系数, 完成起升 机构、变幅 机构、 回转机构等的结构设计 ,并建立了整机的三维模型 。 2. 以液压克令吊 的吊臂为对象, 建立吊臂的有限元模型, 对 吊臂的 最

51、大工作半径和 最小工作半径两个 极 限工况进行有限元静 力 分析,得到吊臂的应 力 分布 及 变 形 情况,保证 吊臂的强度和刚度满 足要求,从而证明 吊臂的静态可靠性。 3. 对 液压克令吊 的吊臂进行有限元模态分析, 提取前十阶固有频率, 绘制 出相应的振型图, 并计算发动机振动、 卷筒振动及货物偏摆 等引起的工作频率 , 证明不会发生共振现象。 4. 通过动力学 仿真 软件对液压克令吊的回转机构 进行动力学仿真 , 生成了回转机构运动时货物对吊臂头部产生的动载荷曲线, 并对所得到的曲线和数据进行分析 , 为液压克令吊回转机 构 的设计提供一定的理论 依据。 1.3.2 章节安排 本文的主要章节安排如下: 第 1 章 : 绪论。 介绍了本课题研究的背景和意义, 分析了国内 外相关领域的研究现状,并介绍了本文主要研究的内容和结构。 第 2 章: 基本理论。 阐述了课题研究所需要的有限元基本理论和动力学理论, 为后文的分析和研究提供一定的理论基础。 第 3 章: 液压克令吊结构设计。 根据液压克令吊的基本设计 参 数, 完成液压克令吊的结构设计, 主要包括起升机构、 变幅机构和回转机 构等的设计计算 , 并建立了整机