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河北建筑工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
課題
名稱
QTZ40塔式起重機(jī)總體及塔頂優(yōu)化設(shè)計
系 別： 機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機(jī)092
學(xué)生姓名： 劉偉
學(xué) 號： 2009307226
指導(dǎo)教師： 李常勝
課題來源
導(dǎo)師課題
課題類別
工程設(shè)計
一、論文資料的準(zhǔn)備
1、塔式起重機(jī)概述
塔式起重機(jī)簡稱塔機(jī)或者塔吊，是一種機(jī)身為塔架式結(jié)構(gòu)的全回轉(zhuǎn)動臂架式起重機(jī)。塔式起重機(jī)由金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)和電氣系統(tǒng)三部分組成。金屬結(jié)構(gòu)包括塔身、動臂和底座等。塔機(jī)的工作機(jī)構(gòu)有五種：起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、小車牽引機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大車走行機(jī)構(gòu)(行走式的塔機(jī))。電氣系統(tǒng)包括電動機(jī)、控制器、配電柜、連接線路、信號及照明裝置等。塔式起重機(jī)的作業(yè)空間大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平輸送及建筑構(gòu)件的安裝。由于塔式起重機(jī)能夠靠近建筑物，在高層建筑施工中其幅度利用率比其它類型的起重機(jī)要高，可達(dá)到全幅度的80%。而普通履帶式、輪胎式起重機(jī)的幅度利用率不超過50%，并隨著建筑物高度的增加而急劇減小。因此塔式起重機(jī)在高層工業(yè)和民用建筑施工的使用中一直處于領(lǐng)先地位。應(yīng)用塔式起重機(jī)對于加快施工進(jìn)度、縮短工期、降低工程造價等方面起著重要的作用。
2、塔式起重機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
塔式起重機(jī)(簡稱塔吊)是一種塔身直立、起重機(jī)臂鉸接在塔帽下部且能夠作360°回轉(zhuǎn)的起重機(jī),通常用于房屋建筑和設(shè)備安裝的場所,具有適用范圍廣、起升高度高、回轉(zhuǎn)半徑大、工作效率高、操作簡便、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠等特點(diǎn)。因此它在建筑安裝施工中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用,特別對于高層建筑施工來說,更是一種不可缺少的重要施工機(jī)械。
塔式起重機(jī)起源于歐洲。據(jù)記載，第一項有關(guān)建筑用塔機(jī)專利頒發(fā)于1900年。1905年出現(xiàn)了塔身固定的裝有臂架的起重機(jī)，1923年制成了近代塔機(jī)的原型樣機(jī)，同年出現(xiàn)第一臺比較完整的近代塔機(jī)。1930年當(dāng)時德國已開始批量生產(chǎn)塔機(jī)，并用于建筑施工。1941年，有關(guān)塔機(jī)的德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN8770公布。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以吊載(t)和幅度(m)的乘積(tm)一起以重力矩表示塔機(jī)的起重能力。
我國的塔機(jī)行業(yè)于20世紀(jì)50年代開始起步,已有50多年的歷史，經(jīng)歷了一個從測仿制到自行設(shè)計制造的過程。
20世紀(jì)50年代，為滿足國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，中國引進(jìn)了前蘇聯(lián)以及東歐一些國家的塔式起重機(jī)，并進(jìn)行仿制。這個時期中國生產(chǎn)與使用的塔式起重機(jī)的數(shù)量較少。
20世紀(jì)60年代，由于高層、超高層建筑的發(fā)展，廣泛使用了內(nèi)部爬升式和外部附著式塔式起重機(jī)，并在工作機(jī)構(gòu)中采用比較先進(jìn)的技術(shù)，如直流調(diào)速、可控硅調(diào)速、渦流制動器、在回轉(zhuǎn)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)中安裝液力偶合器等。在此時期，中國開始進(jìn)入了自行設(shè)計與制造塔式起重機(jī)的階段。
20世紀(jì)70年代，塔式起重機(jī)服務(wù)對象更為廣泛。塔式起重機(jī)的幅度、起重量合起升高度均有了顯著提高。為了滿足市場各方面的要求，塔式起重機(jī)又向一機(jī)多用方向發(fā)展。中國塔式起重機(jī)進(jìn)入了技術(shù)提高、品種增多的新階段。這一時期還先后開發(fā)了ZT100、ZT120、ZT280等小車變幅自升式塔式起重機(jī)、QT-20小車變幅內(nèi)爬式塔式起重機(jī)，QTL16、TQ40、TQ45、TD25、QTG40、QTG60下回轉(zhuǎn)動臂自行架設(shè)快裝塔式起重機(jī)等，其年產(chǎn)量最高超過900臺，標(biāo)志著中國塔式起重機(jī)行業(yè)進(jìn)入一個新的階段。20世紀(jì)90年代以后，中國塔式起重機(jī)行業(yè)隨著全國范圍建筑任務(wù)的增加而進(jìn)入了一個新的興盛時期，年產(chǎn)量連年猛增，而且有部分產(chǎn)品出口到國外。全國塔式起重機(jī)的總擁有量也從20世紀(jì)50年代的幾十臺截至2000年約為6萬臺。至此，無論從生產(chǎn)規(guī)模、應(yīng)用范圍和塔式起重機(jī)總量等角度來衡量，中國均堪稱塔式起重機(jī)大國。
3﹑QTZ40塔式起重機(jī)的整體和塔頂簡介
(一) ﹑QTZ40塔式起重機(jī)的整體簡介
QTZ40塔式起重機(jī)具有起升、回轉(zhuǎn)、變幅、頂升四種工作機(jī)構(gòu)，可單獨(dú)或復(fù)合動作，可以獲得較高的工作效率。頂升機(jī)構(gòu)用于塔身接高或降塔,起升機(jī)構(gòu)采用多速電機(jī)，有快速、中速和 慢就位多種速度，充分滿足用戶各種工況的需要。起重臂可左、右作540度全回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)、變幅靈活可靠，起吊就位準(zhǔn)確，可滿足建筑施工中垂直及水平運(yùn)輸?shù)男?要。該機(jī)設(shè)有起重量限制器、力矩限制器、起升高度限制器、幅度限位器和回轉(zhuǎn)限制器等安全保護(hù)裝置齊全，靈敏可靠，確保塔機(jī)正常工作。另外，還設(shè)有休息平臺、護(hù)欄等安全保護(hù)設(shè)施。司機(jī)室獨(dú)立側(cè)置，造型美觀，視野開闊，內(nèi)部空間大，操作方便。該機(jī)適用性好，廣泛用于中高層以下的各類工業(yè)與民用建筑和滑模施工的吊裝，也用于港口、貨場的裝卸。
(二) ﹑QTZ40塔式起重機(jī)的塔頂簡介
目前，國內(nèi)應(yīng)用較廣泛的塔機(jī)塔頂形式有固定式塔頂和片式塔頂兩種，固定式塔頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式為空間桁架，其弦桿和腹桿均為實心圓鋼或鋼管，迎風(fēng)面積和風(fēng)力系數(shù)小，從而減少了水平風(fēng)力，甚至可以不考慮風(fēng)載荷對其的直接影響。片式塔頂為鉸交的結(jié)構(gòu)形式所以其不承受彎矩、只承受軸向壓力，而平衡臂固接于上轉(zhuǎn)臺，其受力狀況較為復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)形式要求平衡臂臂架必須做成空間桁架結(jié)構(gòu)，或者用大型型鋼（工字鋼）做成片式結(jié)構(gòu)，用上下兩個鉸點(diǎn)固接于塔機(jī)的上轉(zhuǎn)臺，與上轉(zhuǎn)臺形成一個固定的結(jié)構(gòu)體。片式塔頂結(jié)構(gòu)簡單、線條流暢、外形美觀大方、受力簡單，塔機(jī)架設(shè)既方便又省時省力
二、ANSYS介紹
“有限元”這個詞語于1965年首次被提出，經(jīng)過大約40多年的不斷發(fā)展和完善，到今天已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種不同的工程之中，理論也已經(jīng)相當(dāng)成熟。有限元思想的核心就是把實際結(jié)構(gòu)離散化，假想地使實際的結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目個類似結(jié)構(gòu)的個體，然后通過分析這些有限個體的性能來求出滿足實際工程要求的計算結(jié)果，從而代替對于具體復(fù)雜實際結(jié)構(gòu)的求解。經(jīng)過離散化，應(yīng)用有限元思想，可以解決很多實際復(fù)雜的工程問題，并在理論研究和工程應(yīng)用兩方面都具有極其重要的實用價值。
1970年，美國著名力學(xué)專家、匹茲堡大學(xué)教授John Swanson創(chuàng)建了ANSYS公司，通過四十余年的發(fā)展壯大，已經(jīng)逐漸成為全球CAE行業(yè)中最大的公司。在發(fā)展過程中，ANSYS軟件不斷改進(jìn)提高，性能也不斷增強(qiáng)，可靠性也不斷得到保證，在易用性和適應(yīng)運(yùn)行環(huán)境等其他方面也日趨完善，基本上完全能夠滿足當(dāng)前用戶對于有限元分析軟件的要求，當(dāng)下，已發(fā)展到了14．0版本。
ANSYS作為一個大型通用軟件，可以廣泛的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、流體、聲場、熱、耦合場、
電磁場上面，其使用用戶也能夠涵蓋機(jī)械、土木建筑、水利、生物、醫(yī)學(xué)、能源、航空
航天和交通運(yùn)輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)的不同領(lǐng)域，利用ANSYS軟件，能夠?qū)嶋H模型置于各種各
樣不同的復(fù)雜實際工況之中，準(zhǔn)確并合理的分析，優(yōu)化設(shè)計，減少實際試驗的物質(zhì)和人
力投入，提高工作效率，縮短研發(fā)周期從而能夠為提高利潤做出貢獻(xiàn)。使用ANSYS軟件分析，包含以下幾個過程：建立模型、劃分網(wǎng)格、加載和求解、結(jié)果后處理。若在實際應(yīng)用過程中想對其中的某一個步驟進(jìn)行改動和變化，則依然需要重新完成其中的每一個步驟，無形中浪費(fèi)了太多的工作時間。針對現(xiàn)實情況，ANSYS提供了APDL參數(shù)化設(shè)計語言來處理類似問題，通過APDL語言及UIDL語言或類似VB、VC編程語言開發(fā)應(yīng)用界面，即可完成在ANSYS中的二次開發(fā)。
二次開發(fā)已經(jīng)在國外得到了很多方面的應(yīng)用。例如： AlexeyI．Borovkv開發(fā)了兩款軟件，分別應(yīng)用于散熱器穩(wěn)態(tài)3D熱分析及轉(zhuǎn)子體剛度不對稱補(bǔ)償。使用者只需面對初始參數(shù)輸入界面，而軟件自動完成建立模型、劃分網(wǎng)格、加載和求解等復(fù)雜步驟，還可以在專用軟件中生成符合用戶要求的報告，這一系列開發(fā)，無形中減少了用戶建模的工作量，無疑會提高相當(dāng)?shù)男?，大大?jié)省了用戶的時間。
而相對而言，國內(nèi)關(guān)于ANSYS的二次開發(fā)方面才剛剛起步，在很多方面與國外先進(jìn)
水平存在相當(dāng)?shù)牟罹?，但一些高校和科研機(jī)構(gòu)也相應(yīng)的開發(fā)了很多產(chǎn)品，取得了一定的
研究成果，并在實際應(yīng)用方面也做出了很大的貢獻(xiàn)。這系列研究和實際大致取得的成果有：針對具體實際工程應(yīng)用問題而開發(fā)的專用系統(tǒng)，例如水利工程、土木建筑以及機(jī)械的結(jié)構(gòu)和優(yōu)化設(shè)計；針對商業(yè)化發(fā)展的具體模塊，例如壓力容器自動化分析軟CPV-ANSYS，基于ANSYS的應(yīng)用柴油機(jī)鑄造成型專用軟件等?？傮w而言，國內(nèi)關(guān)于二次開發(fā)的研究也已經(jīng)取得了很好的效果，同時也存在發(fā)展的空間，是一個具有相當(dāng)潛能，大有可為的新興科研項目。
三、本課題的目的（重點(diǎn)及擬解決的關(guān)鍵問題）
塔式起重機(jī)是指能在一定范圍內(nèi)垂直起升和水平移動物品的機(jī)械，具有動作間歇性和作業(yè)循環(huán)性，多用于人力不能完成的任務(wù)。塔式起重機(jī)(以下簡稱塔機(jī))是一種重要的施工機(jī)械,由于具有工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸簡便等優(yōu)點(diǎn),已成為工程建設(shè)中的主要機(jī)種之一。自升式塔式起重機(jī)的塔頂是塔機(jī)的重要組成部分，它以固結(jié)或鉸結(jié)的形式連接在塔機(jī)轉(zhuǎn)臺上，通過拉桿分別與起重臂和平衡臂相連，承受臂架和其上部件的自重以及吊重、風(fēng)載等載荷作用而產(chǎn)生彎矩、拉壓力以及剪切力，受力狀況較為復(fù)雜。近幾年來塔頂失穩(wěn)現(xiàn)象多有發(fā)生，并且常常是僅在塔頂部分發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。由此可見在塔機(jī)設(shè)計中，塔頂部分是一個較為薄弱的環(huán)節(jié)，其抗過載能力較差，因此有必要對塔頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，加強(qiáng)塔頂?shù)膹?qiáng)度與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而防止塔頂結(jié)構(gòu)部分的破壞。
伴隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,目前國內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計制造都離不開有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)計算,在工程設(shè)計和分析中受到越來越廣泛的重視,其計算結(jié)果不僅詳盡,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計計算將會極大地提高設(shè)計效率、保證其設(shè)計質(zhì)量。設(shè)計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進(jìn)行仿真分析,就能真實地反映機(jī)械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程,并進(jìn)行各種類型的力學(xué)分析,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使產(chǎn)品的結(jié)
構(gòu)和性能更加合理。本論文將應(yīng)用有限元軟件ANSYS10.0對塔機(jī)總體及塔頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速校核分析。
重點(diǎn)：塔機(jī)總體及塔頂結(jié)構(gòu)的快速有限元校核分析。
四、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路
1、主要內(nèi)容
（1） 設(shè)計任務(wù)：
① 總體參數(shù)的選擇（QTZ40級別）
② 結(jié)構(gòu)形式
（2） 總體設(shè)計
① 主要技術(shù)參數(shù)性能
② 設(shè)計原則
③ 平衡重的計算
④ 塔機(jī)的風(fēng)力計算
⑤ 整機(jī)傾翻穩(wěn)定性的計算
（3） 塔頂?shù)脑O(shè)計和計算
① 塔頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式及尺寸
② 塔頂?shù)脑O(shè)計和有限元分析及計算
2、 研究方法
（1）資料的準(zhǔn)備
通過上網(wǎng)和畢業(yè)實習(xí)，搜集同類已研發(fā)產(chǎn)品相關(guān)資料，了解國內(nèi)外塔式起重機(jī)總體設(shè)計和塔頂?shù)脑O(shè)計的已研發(fā)的產(chǎn)品，借鑒這些產(chǎn)品的設(shè)計思路為自己的設(shè)計做準(zhǔn)備。了解所做設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)部件的相關(guān)信息，為以后設(shè)計做好準(zhǔn)備。
（2）參數(shù)確定
根據(jù)所查資料，了解到起重機(jī)的相關(guān)參數(shù)，和對標(biāo)準(zhǔn)部件的了解，選擇能免租條件的相關(guān)零件。根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計方法并結(jié)合相似的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計，在設(shè)計中確定個關(guān)節(jié)的合理尺寸和形狀。整體和各個部件的形狀和尺寸確定后，用二維作圖工具（autoCAD等）繪制出個主要部件的圖形圖和總裝圖。明確產(chǎn)品的具體具體設(shè)計尺寸和形狀。
3、 研究思路
伴隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,目前國內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計制造都離不開有限元分析(Finite ElementAnalysis, FEA)計算,在工程設(shè)計和分析中受到越來越廣泛的重視,其計算結(jié)果不僅詳盡,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計計算將會極大地提高設(shè)計效率、保證其設(shè)計質(zhì)量。設(shè)計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進(jìn)行仿真分析,就能真實地反映機(jī)械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程,并進(jìn)行各種類型的力
學(xué)分析,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更加合理。本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS10.0對塔頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速校核分析。
五、總體安排和進(jìn)度（包括階段性工作內(nèi)容及完成日期）
2013.3.25-2013.3.28 熟悉整理資料
2013.3.29-2013.4.13 方案選擇及總體設(shè)計
2013.4.14-2013.4.20 繪制總圖
2013.4.21-2013.5.15 塔頂設(shè)計
20135.16-2013.6.5 繪制塔頂裝配及結(jié)構(gòu)圖紙
2013.6.6-2013.6.19 繪制零件圖紙
2013.6.20-2013.6.21 準(zhǔn)備論文及答辯
六、主要參考文獻(xiàn)
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指導(dǎo)教師意見：
指導(dǎo)教師簽名： 日期：
教研室意見：
教研室主任簽名： 日期：
系意見：
系領(lǐng)導(dǎo)簽名： 日期：
系蓋章