龙门起重机结构设计.doc

龙门起重机计算说明书
一 龙门起重机的结构形式、有限元模型及模型信息。
该龙门起重机由万能杆、钢管以及箱形梁组成。上部由万能杆拼成，所有万能杆由三种型号组成，分别为2N1,2N4,2N5,所有最外围的竖杆由2N1组成，其他竖杆由2N4组成，所有斜杆由2N5组成,其他杆均为2N4；龙门起重机两侧下部得支撑架由钢管组成，钢管的型号为φ2196、φ835,其中斜竖的钢管为φ219X6，其他钢管为φ83X5；龙门起重机上部和下支撑架之间由箱型梁连固接而成，下支撑架最下端和箱型梁相固连。所有箱型梁由厚为6mm的钢板焊接而成。
对龙门起重机进行建模时，所选单元类型为Link8、Pipe16、Shell63三种单元类型。有限元单元模型见图1。模型的基本信息见下：
关键点数 988
线数 3544
面数 162
体数 0

节点数 1060
单元数 3526

加约束的节点数 48
加约束的关键点数 0
加约束的线数 0
加约束的面数 12

加载节点数 18
加载关键点数 18

加载的单元数 0
加载的线数 0
加载的面数 0

二 结构分析的建模方法和边界条件说明。
应力分析采用有限元的静力学分析原理，其建模方法采用实体建模法，采用体、面、线、点构造有限元实体。其中所有箱形梁用面素建模，其余用线素建模，然后在实体上划分有限元网格，具体见单元图。对于边界条件和约束条件，是在支撑架下的箱型梁的底面两端加X,Y,Z三方向的约束以模拟龙门起重机的实际情况。载荷分布有4种情况：工作时的吊重、小车自重、风载荷、考虑两度偏摆时的水平惯性力，具体见下。

三 载荷施加情况。
（1）工作时的吊重
工作时的吊重为40t,此载荷分布在小车压在轨道的4个位置，每个位置为10t。由于小车在轨道上移动，故载荷的分布位置随小车的移动而改变，由于小车移动速度慢，我们只把吊重载荷的施加作两种情况处理：在最左端（或最右端），以及龙门架中部位置。
（2）小车自重
小车自重为7t,和吊重载荷分布位置相同。
（3） 风载荷
风载荷：Ⅱ类风载。
（4）考虑20偏摆时的水平惯性力
该水平惯性力大小为吊重乘以角度大小为20的正切值，施加位置和吊重载荷施加位置相同，方向为水平的X向和Z向。

四 计算结果与说明。
对应吊重载荷的施加位置，共有两种计算情况；
(1) 小车在中间位置时：
万能杆应力分布云图如图2所示，最大应力分布云图如图3所示，钢管应力分布云图如图4示，最大应力分布云图如图5示，箱形梁应力分布云图如图6示，最大应力分布云图如图7示,X,Y,Z三方向位移分布云图如图8, 9，10示。总计算结果见表一，表二。
表一（ＭＰａ）
名称 结构
整机主结构
箱形梁
钢管
最大应力
-86（压）
78（拉）
26.768
88.414
　　　表二（ｍｍ）
名称 结构
X方向
Y方向
Z方向
最大位移
5.717
-44.571
47.248

由于该龙门架结构主要杆结构组成，所以要对局部受力较大的杆进行稳定性计算。
对于型号为2N1的万能杆，其应力分布见图11示，从图中可以看出最大压应力为N=77.505,2N1的万能杆的稳定系数φmin=0.6936,
N/φmin=77.505/0.6936=111.74MPa<170MPa，所以不会失稳。
对于型号为2N4的万能杆，其应力分布见图12示，从图中可以看出最大压应力为N=44.604,2N4的万能杆的稳定系数φmin=0.79,
N/φmin=44.604/0.79=56.46 MPa<170MPa，所以不会失稳。
对于型号为2N5的万能杆，其应力分布见图13示，从图中可以看出最大压应力为N=46.54,2N5的万能杆的稳定系数φmin=0.439,
N/φmin=46.54/0.439=106.01 MPa<170MPa，所以不会失稳。
对于φ219×6的钢管，其应力分布见图14示，最大压应力为N=86.888, 从图中可以看出弯曲应力为88.414，最长的φ219×6钢管的稳定系数φmin=0.856，
稳定性应力=86.888/0.856 + 88.414 –86.888
= 103.4Mpa<140MPa，所以不会失稳。
对于φ83×5的钢管，其应力分布见图15示，压应力为N=40MPa,弯曲应力为46Mpa,φ83×5钢管的稳定系数φmin=0.707，
稳定性应力=40/0.707 + 46 – 40
=62.6Mpa《140Mpa，所以不会失稳
(2) 小车在最左（或最右）位置时：
万能杆应力分布云图如图16示，最大应力分布云图如图17示，钢管应力分布云图如图18示，大应力分布云图如图19示，板应力分布云图如图20示，最大应力分布云图如图21示,X,Y,Z三方向位移分布云图如图22，23，24示。

表一（ＭＰａ）。
名称 结构
整机主结构
箱形梁
钢管
最大应力
-140.804(拉)
85.717(压)
29.94
106.345

表二　（ｍｍ）
名称 结构
X方向
Y方向
Z方向
最大位移
13.688
-32.365
63.294

由于该龙门架结构主要杆结构组成，所以要对局部受力较大的杆进行稳定性计算。
对于型号为2N1的万能杆，其应力分布见图25示，从图中可以看出最大压应力为N=67.208,2N1的万能杆的稳定系数φmin=0.6936,
N/φmin=67.208/0.6936=96.9 Mpa<170Mpa，所以不会失稳。
对于型号为2N4的万能杆，其应力分布见图26示，从图中可以看出最大压应力为N=52.997,2N4的万能杆的稳定系数φmin=0.79,
N/φmin=52.997/0.79=67.08 Mpa<170Mpa，所以不会失稳。
对于型号为2N5的万能杆，其应力分布见图27示，从图中可以看出最大压应力为N=54.669,2N5的万能杆的稳定系数φmin=0.439,
N/φmin=54.669/0.439=124.53 Mpa<170Mpa，所以不会失稳。
对于φ219×6的钢管，其应力分布见图14示，最大压应力为N=104.804MPa, 从图中可以看出弯曲应力为106.345MPa，φ219×6钢管的稳定系数φmin=0.856，
稳定性应力=104.804/0.856 + 106.345-104.804
= 124Mpa<140MPa，所以不会失稳。
对于φ83×5的钢管，其应力分布见图29示，压应力为N=55.137MPa,弯曲应力为59.307Mpa,φ219×6钢管的稳定系数φmin=0.707
稳定性应力=55.137/0.707 + 59.307-55.137
=82.2<140Mpa, 所以不会失稳.

图1 单元模型图

图2 整机主结构应力分布图

图3 最大应力分布图

图4 钢管应力分布图
图5 大钢管最大应力分布图

图6 箱形梁应力分布图

图7箱形梁最大应力分布图

图8 X方向位移图

图9 Y方向位移图

图10 Z方向位移图

图11 2N1应力分布图

图12 2N4应力分布图

图13 2N5应力分布图

图14 大钢管应力分图

图15 小钢管应力分图

图16 整机主结构应力分布图

图17整机主结构最大应力分布图

图18大钢管应力分布图

图19大钢管最大应力分布图

图20 箱形梁应力分布图

图21箱形梁应力分布图

图22 X方向位移图

图23 Y方向位移图

图24 Z方向位移图

图25 2N1应力分布图

图26 2N4应力分布图

图27 2N5应力分布图

图28 大钢管应力分图

图29 小钢管应力分图