CAE课程设计说明书

《计算机辅助工程设计》

课程设计

课程设计题目:C型双梁起重机强度、刚度分析

学生姓名：

学号：

学院：机械工程学院

专业班级：机械设计制造及其自动化

专业课程：计算机辅助工程设计

指导教师：

2016 年1月8日

目录

摘要 (4)

关键词 (4)

前言 (5)

1.题目要求 (6)

2.双梁起重机介绍 (9)

2.1双梁起重机 (9)

2.2安全检查规范 (10)

2.3操作规程 (11)

3.软件介绍 (12)

3.1 SolidWorks软件介绍 (12)

3.2 有限元分析方法概述 (12)

4.C型双梁起重机有限元分析 (14)

4.1 研究对象 (14)

4.2 C型双梁桥式起重机有限元模型的立 (15)

4.3 C型双梁桥式起重机静态特性受力析 (16)

4.3.1 静力学分析模型 (16)

4.3.2 网格划分 (17)

4.3.3 双梁桥式起重机的各种载荷 (18)

4.3.4 载荷分析 (19)

4.3.5 计算结果分析 (20)

结论 (22)

实习心得 (22)

参考文献 (24)

摘要

随着现代工业化的迅速发展，市场的竞争也越来越激烈，因此各个生产企业都迫切的需要改进生产技术、提高生产效率。制造行业中对起重机的技术要求也越来越高，性能也越开越全面。

C型双梁桥式起重机越来越向着大起重量、大跨度和高可靠性方向发展。双梁桥式起重机主要由桥架、大车运行机构、小车、电器设备等组成。根据企业的要求设计，C型双梁桥式起重机是横架于车间、仓库和料厂上空进行物料调运的起重设备，它的主梁多采用工字型钢或钢型与钢板的组合截面。本文基于solidworks软件及三维模型受力分析的基础上建立了起重机整体机构的有限元模型，通过对有限元的分析和优化，然后简化为静力学分析模型，经过对电动葫芦从跨中到跨端不同位置的多次加载求解，得出整机的最大等效应力和最大变形量随电动葫芦所在不同位置的分布情况，利用该结果可以对主梁进行下一步的优化设计。

关键词：Solidworks; C型双梁桥式起重机；有限元分析模型

前言

我们基于 Solidworks 有限元理论基础，对某桥式起重机主梁在额定载荷工况下，小车满载位于跨中位置进行静力分析，通过计算仿真结果找出主梁的强度、刚度的分布，在此基础上，以其质量减轻为目标进行结构优化

C型双梁桥式起重机桥架作为起重机的主要承载机构，其质量约占整机自重的60%，它的设计参数取值优劣对整机的设计成败起决定性作用。

传统的起重机主梁的设计分析为了保证结构安全可靠，取较大的安全系数，造成不必要的材料浪费。而有限单元法是良好的结构分析方法，相对于传统的材料力学受力分析计算方法而言，有限元分析方法将使得计算结果更精确，同时实现优化设计。

1 题目要求1.1 C型双梁桥式起重机三视图

图1.1起重机三视图

1.2 C型双梁桥式起重机主视图

图1.2起重机主视图

1.3 C型双梁桥式起重机俯视图

图1.3起重机俯视图1.4 C型双梁桥式起重机侧视图

图1.4起重机侧视图

1.5 c型双梁桥式起重机局部图

图1.5起重机局部图

2 双梁起重机介绍

2.1双梁起重机

双梁起重机一般指双梁桥式起重机，英文名：Dual-beam Crane。

双梁起重机一般由机械、电气和金属结构三大部分组成。桥式起重机外形象一个两端支承在平行的两条架空轨道上平移运行的单跨平板桥。

双梁起重机在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。如图2.1

图2.1双梁起重机

2.2安全检查规范

双梁桥式起重机的安全检查为了保证桥式起重机的安全运行，在起重机运行期间需进行一些安全常规检查，检查项目及要点如下：

2.2.1 起升高度限位器、行程限位开关及各联锁机构性能正常，安全可靠。 2.2.2 各主要零部件符合安全要求：开口增大小于原尺寸的15%，扭转变形小于10%；板钩衬套磨损小于原尺寸的50%，板钩心轴磨损小于5%，无剥落、毛刺、焊补。吊钩挂架及滑轮无明显缺陷。钢丝绳表面钢丝磨损、腐蚀量小于钢丝直径的40%，断丝在一个捻距内小于总丝数的10%，无断头，无明显变细，无芯部脱出、死角扭拧、挤压变形、退火、烧损现象。钢丝绳端部连接及固定的卡子、压板、锲块连接完好，无松动，压板不少于2个，卡子数量不少于3个。卷筒无裂纹，连接、固定无松动；筒壁磨损小于原壁厚的20%；安全卷不少于2圈，卷筒与钢丝绳直径比例符合要求。平衡轮固定完好，钢丝绳应符合的要求。制动器无裂纹，无松动，无严重磨损，制动间隙两侧相等尺寸合适，有足够的制动力，制动带磨损小于原厚度的50%。

通过对双梁桥式起重机的安全常规检查，对杜绝人身事故，减少设备事故，提高设备运转率，降低检修费用等均起到了显著作用。

2.3操作规程

工作前

a．对制动器、吊钩、钢丝绳和安全装置等部件按点检卡的要求检查，发现异常现象，应予排除。

b．操作者必须在确认走台或轨道上无人时，才可以闭合主电源。当电源断路器上加锁或有告示牌时，应由原有关人除掉后方可闭合主电源。

工作中

每班第一次起吊重物时（或负荷达到最大重量时），应在吊离地面高度0．5米后，重新将重物放下，检查制动器性能，确认可靠后，再进行正常作业。b．操作

者在作业中，应按规定对下列各项作业鸣铃报警。①起升、降落重物；开动大、小车行驶时。②起重机行驶在视线不清楚通过时，要连续鸣铃报警；③起重机行驶接近跨内另一起重机时。④吊运重物接近人员时。

c．操作运行中应按统一规定的指挥信号进行。

d．工作中突然断电时，应将所有的控制器手柄置于“零”位，在重新工作前应检查起重机动作是否正常。

c．起重机大、小车在正常作业中，严禁开反车制动停车；变换大、小车运动方向时，必须将手柄置于“零”位，使机构完全停止运转后，方能反向开车。

d．有两个吊钩的起重机，在主、副钩换用时和两钩高度相近时，主、副钩必须单独作业，以免两钩相撞。

e．两个吊钩的起重机不准两钩同时吊两个物件；不工作的情况下调整起升机构制动器。

f．不准利用极限位置限制器停车，严禁在有负载的情况下调整起升机构制动器。 g．严格执行“十不吊”的制度：

①指挥信号不明或乱指挥不吊；②超过额定起重量时不吊；③吊具使用不合理或物件捆挂不牢不吊；④吊物上有人或有其它浮放物品不吊；⑤抱闸或其它制动安全装置失灵不吊；⑥行车吊挂重物直接进行加工时不吊；⑦歪拉斜挂不吊；⑧具有爆炸性物件不吊；⑨埋在地下物件不拔吊；⑩带棱角块口物件、未垫好不吊；h．如发现异常，立即停机，检查原因并及时排除。

工作后

a．将吊钩升高至一定高度，大车、小车停靠在指定位置，控制器手柄置于“零”位；拉下保护箱开关手柄，切断电源。

b．进行日常维护保养。

c．做好交接班工作。

3 软件介绍

3.1 SolidWorks软件介绍

Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得SolidWorks 成为领先的、主流的三维CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。

在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows 风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。

3.2 有限元分析方法概述

有限元法（FEA，FiniteElementAnalysis）的基本概念，是用简单重复的的问题替代复杂大型的问题后再进行解算。它将需要结算的范围看成是由有限个个体单位，并且有限小的不间断性的子范围组成，对任何一个单元假设一个合适的(较低级的）近似解，继而推论解算这个域总的结构的平衡条件，从而得到问题的解。这个值不是精确值，却是近似值，因为现实的情况被较单一的问题所替代。只有很少部分的实际情况能够得到精确的解，而有限元法不仅能使得解算精度很高，而且各种不规则在现实很难解决的形状也能的到分析，从而有限元法提供了用来精确分析复杂工程实际问题的良好方法。

有限元法能够解决多种复杂的数学物理问题，在新时期是诸多复杂工程问题的核心解决方法。有限元法是20世纪40年代，为了满足实际工程问题的严谨精确复杂难以处理的需要而发展建立起来的。FEA 的力学依据是弹性力学，而公式解算的依据是加权残值法或者泛函极值原理，采用的手段是数值离散计算的方法，而最终

的分析方法的承载是有限元分析软件。

刚开始的有限元法还没有被应用到普通的领域，都是比较专一的方面，例如零件关键部位力的奇异现象，然而，按照普通的思路考虑，每一种物理现象都是相互关联出现的。例如，物体间的相互接触会产生摩擦，而摩擦会使机械能转变为热能，一些材料的物理和化学属性又会在热量的作用下发生少许的改变。这种在多个物体之间或者同一物体不同侧之间能量的相互传递现象发生在了不是单一的物理场，这种现象的分析比单一物理场的问题要复杂的多。从而一种能够解决多物理场的工具就有了迫切需求。

4 C型双梁桥式起重机有限元分析

4.1研究对象

本文所研究对象的技术特性表和材料分别在表1、表2中列出。

表1 技术特性表

起升重量16000kg

起升高度9000mm

起升速度 3.5 m/min

小车运行20m/min

电动机功率13 kW

小车运行 1.6 kW

起重机运行 1.5×4 kW

表2 材料特性表

弹性模量 2.1e+011 N/㎡

泊松比0.28

抗剪模量7.9e+010 N/㎡

质量密度7700 kg/m3

张力强度723825600 N/㎡

屈服强度620422000 N/㎡

热膨胀系数 1.3e-005 /K

热导率50 W/(㎡.K）

比热460 J/（kg.K)

4.2 C型双梁桥式起重机有限元模型的建立

本论文采用Solidworks软件进行有限元仿真，首先在Solidworks的零件图中画出C型梁结构和横梁结构图，再在装配图中把两个零件图装配起来，完成装配图的要求。

（1）工字钢截面的简化处理，把工字钢圆弧段简化成直线段，截面类似于H型钢的类型。

(2)U型钢板与两块斜盖板组成一体，把斜盖板的两个折边简化掉，斜盖板与工字钢连接成直板连接，与U型钢板也直接连接。

(3)主梁两端面到端梁处的截面体变化忽略，以跨中的截面代替变化处的截面。

(4)主梁实际工艺中的圆角倒边等忽略，这在一定程度上会造成一些不影响主体结构微小的集中应力。

根据以上要求，导入的装配图如图2-1所示

图4-1起重机装配图

4.3 C型双梁桥式起重机静态特性受力分析

4.3.1 静力学分析模型

C型双梁桥式起重机整机结构的受力状态比较复杂，但可以简化为可进行力学分析的简支梁的形式，简化后的静力学分析模型如图3-1所示。

图3-1 静力学分析模型

图中的q表示桥式起重机自身重量，在Solidworks中定义了材料的属性后，由有限元软件自动求出，Q为货载重量，加载位置为电动葫芦行走轮与主梁工字钢的接触面，p表示为货载是以集中力的方式加载在主梁上。

在材料属性中己设定了材料密度,且重力是分布力，重力加速度的方向是垂直向下，在Solidworks中只需要给出受力方向和数值即可自动算出主梁的重力大小。

4.3.2 网格划分

由于该双梁桥式起重机结构中有多种不同厚度的钢板并且某些部件尺寸较大，所以采用单个部件分别划分网格的方法，分别定义各个部件网格的尺寸。

为提高计算速度，必要地方需进行网格细化，C型双梁桥式起重机模型网格如图3-2所示。

图3-2起重机模型网格

4.3.3双梁桥式起重机的各种载荷

该电动双梁桥式起重机用于工矿企业的车间物料的装卸与搬运。作用在起重机上的载荷主要有静载荷、起升载荷和水平惯性载荷等。

1）自重载荷

自重载荷指起重机本身的结构、机械设备、电气设备以及始终积结在它的某个部件上的物料等质量的重力。对电动葫芦而言，主要有电动葫芦自重，吊物重等效载荷。对桥架而言主要是桥架的轮压。

2）起升载荷

起升载荷是指起升机构总起升质量的重力。

当货物无约束的离开地面时，货物的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的作用，该单梁桥式起重机的起升速度为3.5m/min。

由于起升高度小于50 m，所以钢丝绳的质量可以不计。

因物品下降制动时对承载机构和传动机构将产生附加的动载作用。这一动载作用可以通过将起升载荷乘以大于1的起升载荷动载系数φ2考虑。

系数φ2的取值方法如下

当υa≤0.2m/s时，φ2=φ2min

当υa>0.2m/s时，φ2=φ2min + β2（υa-0.2）

式中υa —稳定起升速度

β2 —起升状态级别系数

φ2min—起升载荷最小动载系数，与起升状态级别有关

查起重机设计手册可得，υa≤0.2m/s时，φ2=φ2min=1.1

4.3.4. 载荷分析

在起重机工作过程中，主梁受到本身自重、小车重量和载重量三者共同作用。自重载荷可以靠施加重力加速度获得，小车自重和载重量可在主梁上施加相应的载荷获得。主梁最大载重 12.5 t。因为是双梁起重机，载重量均匀分布到每根梁上。对于集中载荷可以均匀地加载到特定节点附近的部分节点上，可消除应力过于集中的现象，避免局部变形过大。载荷大小即小车轮压值，方向是垂直向下。考虑到物品起吊离地或下降制动时对起重机金属结构的振动影响，必须对起重机质量产生的重力，乘以系数φ1，φ1称为起升冲击系数，φ1=1±a

由于桥式起重机主梁的简化模型是简支梁，因此对梁的两端施加全约束

综上所述，起重机的约束和受力的模型简图如图3-3：

图3-3起重机模型简图

4.3.5计算结果分析

经过有限元分析，跨中载荷是起重机受力最大的点

1)主梁应力图

图3-4主梁应力图

2)主梁位移图

图3-5主梁位移图