1、課程題目學院專業班級 學生姓名 學生學號指導教師東北石油大學課程設計桁架結構創新設計龍門式起重機結構創新設計機械科學與工程學院工程力學14-1班蔣婷140403240104李治淼2016年7月22日圖1.1單梁桁架門式起重機第 1 概述1.1 制作龍門吊的目的及意義 01.2 選題背景 0第 2 制作要求2.1 整體要求 12.2 模型要求 12.3 加載方式 22.4 失效評比 32.5 模型材料及工具 3第 3 設計說明 43.1 桁架說明 43.2 結構說明 43.3 節點說明 5第 4 龍門吊靜力學計算64.1 龍門吊靜力分析力學模型 64.2 龍門吊內力計算 84.3 龍門吊應力計算

2、 94.4 龍門吊位移計算10第 5 龍門吊穩定性計算105.1 龍門吊穩定性分析模型125.2 穩定性計算結果分析1213第 6 總結第1章概述1.1 制作龍門吊的目的及意義龍門吊主要用于室外的貨場、料場貨、散貨的裝卸作業。它的金屬結構像 門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可以直接在地面的軌道上行走，主梁兩 端可以具有外伸懸臂梁。它的種類有很多，按門框結構形式劃分，可分為門式 起重機和懸臂門式起重機。其中門式起重機具有場地利用率高、作業范圍大、 適應面廣、通用性強等特點，在港口貨場得到廣泛使用。確保它的強度、剛度、 穩定性等，是能夠安全應用于實際生活中的前提。1.2 選題背景龍門式起重機(g

3、antry crane)是橋式起重機的一種變形，俗稱龍門吊、龍 門起重機。龍門式起重機是門式起重機的象形說法。主要用于室外的貨場、料 場貨、散貨的裝卸作業。整體結構像門形框架，承載主梁下安裝兩條支腳，可 以直接在地面的軌道上行走，主梁兩端可以具有外伸懸臂梁。龍門式起重機具 有場地利用率高、作業范圍大、適應面廣、通用性強等特點，在港口貨場得到 廣泛使用。如圖1.1所示的桁架梁式龍門起重機是由角鋼或工字鋼焊接而成的，優點是造價低，自重輕，抗風性好。但是由于焊接點多和桁架自身的缺陷，桁架梁也 具有撓度大，剛度小，可靠性相對較低，需要頻繁檢測焊點等缺點。適用于對 安全要求較低，起重量較小的場地。第2章

4、制作要求2.1 整體要求使用竹條和膠水制作一龍門式起重機結構，下部具有至少長600mm,寬350mm的立面空間，將在頂部梁的中央懸掛加載配重，要求結構在此工況下不 發生破壞。模型采用竹條材料制作，模型制作自行安排時間地點來進行，材料與工具 自備。2.2 模型要求模型在重力作用下與加載平面接觸，此時模型的正面投影應在如圖2.1所示 陰影范圍之外。在加載平面上有一 600mm*350mm的矩形區域，該區域不能有 任何構件。該矩形區域緊貼加載平面，之間沒有縫隙，矩形區域下部不能有拉 條等結構構件圖2.1限定范圍及加載示意圖我們將準備一個的外輪廓投影大小剛好是 600mm*350mm的檢測用長方體。長

5、方體將在模型驗收時推入該區域，如果無法推入則視為模型不符合要求2.4失效評比圖2.2下部凈空間及撓度檢查示意圖2.3 加載方式模型直接放置在加載平面上，加載平面是水平的。模型與加載平面相互獨 立，不能粘接。加載平面上將放置一張 a0圖紙，以保證結構與加載平面之間有 一個統一的摩擦系數。模型加載采用懸掛重物白方式進行加載，力f的方向豎直向下。如圖 2.1所示，加載位置是正面投影矩形限制區域的中線位置。模型的高度、長度、跨 度以及具體的結構形式均不做任何限制，只要保證如圖2.2所示符合撓度檢查要 求即可。可以出現如圖2.1所示的不對稱情況，變截面、變高度、變寬度、梁式 結構、張拉結構、桁架結構、預

6、應力結構等等都是允許的。模型必須保證掛鉤能順利掛在模型加載位置，需根據掛鉤對加載點進行設 計，保證掛鉤順利懸掛。結構構件不能妨礙懸掛掛鉤和配重，如果出現不能實 現加載，無法記錄成績的問題，責任自負。所使用掛鉤如圖2.3所示的膨脹螺栓 吊鉤。模型在進行加載時，模型的失效分為部分失效和整體失效。出現下列任一 情形則判定為模型整體失效，不能繼續加載，成績記為零分：(1)在加載階段，整體結構出現垮塌或側倒，無法完成加載。(2)出現違反規定的其它狀況，具體由評委討論決定。出現下列情形判定為部分失效：(1)整體沒有破壞，但模型出現明顯的變形，構件發生過大的撓度，導致 掛上重物后無法推入長方體的情況。(2)

7、出現違反規定的其它狀況，具體由評委討論決定。2.5模型材料及工具(1)竹材：用于制作結構構件，自行購買。竹材規格見表2-1。(2) 502膠水：用于模型結構件之間的連接，自備 502膠水。(3)制作工具：自行攜帶制作工具，可以對材料進行任意機械加工(切、 削、剪、磨等均可)，但不能改變材料的力學性能。表2-1 竹材規格在舁 廳p竹材規格1900*3*2mm2900*3*3mm3900*3*6mm4900*1*6mm5900*2*2mm注：竹材力學性能參考值彈模量1.0x04mpa ,抗拉強度60mpa1elementsurotnfornmomrforrmom在結構外形的選擇方面，考慮到起重機要

8、承受較大的向下壓應力撓度不易第3章設計說明3.1 桁架說明本次桁架設計為龍門吊結構，整個模型包括橫梁（及其中間組成部分） 、支 座兩大部分。主要來進行整個橫梁及支座的設計與制作，并通過 502膠水將各 結構相互連接，整體采用竹木條材料制作。3.2 結構說明龍門起重機結構不僅承擔豎向靜荷載，而且需承受一定量的彎矩，在重物 作用的情況下具有足夠的剛度，且不發生破壞。對于結構形式及造型而言，只 要滿足相關控制點的要求，對塔架體系以及外形的選擇不限，這為設計方案的 選擇提供了較大的余地。在結構選型過程中分別從結構體系及結構外形兩方面進行了分析。在結構體系的選取方面，由于拱形結構能將力傳遞到兩端，能承

9、受較大的彎矩作用，而不至于折斷，且傳力最為直接、高效，非常適用于拱形 梁結構。過大，所以橫梁應采用中間高，兩端低的模型，這樣既 可以省材料，又能僦15撓度不大，而拱形是滿足此要求, 并且有很大的抗壓能力，而底座承受更大的壓應力，所 以揉度不易過大，經過長時間的實驗，最終采用了如圖 3.1此種結構的底座，此結構有較大的硬度與剛度，可 以完全承受所要求的重量，而梁與底座的接觸點采用面 接觸，因撓度不大，所以接觸點只是簡單地連接即可， 由于力分散到左右兩個支座，所以兩邊的彎曲會很大， 因此將兩個支座設計為由多個三角形構成的形式。三角 形的結構具有穩定性不易變形抗壓，抗彎的能力均較 強，因此可以很好的

10、分擔梁的受力，給梁以支撐的作用0 截面采取l'型結構，讓結構能夠實現好地連接，防 止開膠。圖3.1支座模型圖3.3節點說明起重機結構中包含較多節點，竹子構件在這些節點處的連接均采用膠水粘 結，為貼合連接節點。這里列出了三種典型的節點連接構造形式， 如圖3.2所示, 包括粘合節點（節點 a）、橫梁頂部與塔架之間的節點（節點 b）、塔架與橫梁 中部之間的節點（節點 c）。塔架的主干與主干之間還連有細桿，以確保結構的 穩定。a節點使用搭接和粘接的組合方式，可以使起加固作用的連接桿承受一定的 拉力而不會斷開。b節點，保證十分穩固，不僅節省材料，也滿足要求。c節點的設計采用最簡單的連接方式，用于

11、此處不僅可以提高強度，還能 提高其穩定性。a節點粘接方式b節點粘接方式c節點粘接方式圖3.2各節點粘接方式第4章龍門吊靜力學計算4.1龍門吊靜力分析力學模型本次設計的桁架結構總長 610mm，總高380mm。運用學過的材料力學和結 構力學，采用有限元軟件ansys進行力學分析與計算。在ansys中，采用beam188梁單元離散，因為結構每一段在其中都被打 斷，所以在mesh的時候每一段只劃分了兩段，如圖 4.1所示。1elementsansys圖4.1 整體模型圖這個結構總共有324個單元，300個節點，在支座兩端施加全約束，在梁上 最中間處，即截面為6*6mm中間處施加fy=100n的力。在

12、保證滿足承載的情況下，我們希望它的質量盡可能的小，因此我們對我們使用的材料以及主要截面做出相應的統計，如表4-1所示。其中四種主要截面分別如圖4.2、4.3、4.4所示。表4-1竹條用料統計表竹條板截回積/mm2桁架的體積mm3竹條的根數3*6*2*11220026*15719.3542*217082.633*27900.403圖4.3截面2圖4.4截面3圖4.5截面44.3龍門吊應力計算通過軸力圖與彎矩圖來分析局部受力情況，從而簡化結構，達到最佳狀態。據圖4.6可知彎矩最大處發生在最中間兩根桿處，原因是中間承重桿所受力向兩 邊傳遞，導致邊上兩根桿受力最大。圖4.6彎矩圖根據圖4.7分析得知，

13、梁上兩根桿一邊受壓，一邊受拉，軸力最大處發生在 這兩根桿的中間處竹條的強度是衡量結構能否承受100n的力的關鍵因素之一，需要進行應力 計算，如圖4.8是該結構的應力分析圖1nodal solutionstep=1sub =1time=1sx (avg)rsys=0dmx =5.24284smn =-49.1746ansysr15.0jul 16 201609:14:02-49.1746-36.9071-24.6396-12.3721-.10465212.1628336.6978361.2328smx =61.2328圖4.9等效應力nodal solutionstep=1sub =1time=

14、1seqv (avg)dmx =5.24284smx =61.28圖4.8 x軸應力圖如圖4.9所示，為第三強度理論應力分析結果，最大應力為61.28mpa。ansysjul 16 201623:09:2506.8088913.617820.4267/534.0444.3347.662261.284.4龍門吊位移計算圖4.11 y方向位移圖所設計符合應力條件之外，x、y方向的位移也不能超過一定值，圖 為x方向的位移圖。如圖所示，x方向的最大位移為1.173mm.4.101nodal solutionstep=1sub =1time=1ansysjul 16 201623:19:50ux (av

15、g)rsys=0dmx =5.24284smn =-1.10557smx =1.17285-.092942.413373.919688-1.10557-.599257-.3461圖4.10 x方向位移圖如圖4.11所示，為該結構y方向的位移圖，在y方向的最大位移為4.65mm.1nodal solutionstep=1ansysr15.0sub =1jul 16 2016time=109:06:47uy (avg)rsys=0dmx =5.24284smn =-4.65373smx =.132e-04-4.65373-3.61956-2.5854-1.55123-.517069ansysr15

16、.gjul 16 201623:20:11usum (avg)rsys=0dmx =5.24284smx =5.242840.5825381.165081.74761215 2.9126923 4.07776 a35.24284如圖4.12所示，為該結構的總位移圖,1nodal solutionstep=1sub =1time=1圖5.1屈曲失穩圖圖4.12總位移圖如圖4.13所示，為局部放大的最大位移圖,圖4.13總位移局部放大圖據圖可見，該結構的變形量最大達到 5.24mm,其中最大變形處發生在中間 承重桿附近。第5章龍門吊穩定性計算5.1 龍門吊穩定性分析模型穩定性分析也是判斷結構能否承

17、載成功的因素之一，特征值屈曲分析施加 的載荷為100n,支座兩端施加的全約束。特征值屈曲分析用于預測一個理想彈性結構的理論屈曲強度，通過特征值 屈曲分析我們可以獲得極限載荷，能夠對我們做的結構有一個更清楚的分析。5.2 穩定性計算結果分析為了使結構能夠保證不失穩，我們做了特征值屈曲，結果如表5-1如下:表5-1settime/freqload stepsubstepcumulative21-0.5814512121221.337012222231.554312323241.7720124241displacementstep=1ansyssub =50fact=11.5943dmx =5.23

18、09jul 16 2016第 6 章 總結本組成員有：王久亮、尚文博、陳開放和蔣婷，最終選取蔣婷的模型進行模型制作。通過以上對該結構的分析得出結論：（1）在x方向的應力為61mpa,基本符合強度要求。（2）在y方向的最大位移為4.65mm,總位移為5.24mm,變形并不大，也 基本符合要求。（3）已知竹子的密度為0.000617g/mm3,總體積為56013.3mm3,得出總質 量為34.6g,失穩載荷為133.7n,即在f=133.7n時，結構發生失穩。而要求只 承受 100n 即可，理論上該結構是合格的。據圖 5.1，失穩最嚴重的還是支座。經過近兩周的準備，歷經方案設計、模型修正一直到最終這個尚未成型的作品，雖然還不完美，但是凝聚了我們組員的心血。（ 1）由三角型橫梁結構，加以想象設計，最終采用的方案為上拱形橫梁結構。整個起