資源目錄里展示的全都有，所見即所得。下載后全都有,請放心下載。原稿可自行編輯修改=【QQ：401339828 或11970985 有疑問可加】 本科生畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 （工科及部分理科專業(yè)適用） 題目： 50T門座起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)及重要總成設(shè)計 題目來源：□省部級以上 □市廳級 □橫向 ■自選 題目性質(zhì)：□理論研究 □應(yīng)用與理論研究 ■實際應(yīng)用研究 學(xué) 院： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 起訖日期： 指導(dǎo)教師： 指導(dǎo)教師所在單位： 機(jī)電工程學(xué)院 學(xué)院審核（簽名）： 審核日期： 二0 一三 年制 說 明 1. 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，并經(jīng)專業(yè)學(xué)科組審定，下達(dá)到學(xué)生。 2. 進(jìn)度表由學(xué)生填寫，至少每兩周交指導(dǎo)教師簽署審查意見，并作為畢業(yè)設(shè)計工作檢查的主要依據(jù)。進(jìn)度表中的周次是指實際的畢業(yè)設(shè)計進(jìn)程中的周次。 3. 學(xué)生根據(jù)指導(dǎo)教師下達(dá)的任務(wù)書獨立完成開題報告，于3周內(nèi)提交給指導(dǎo)教師批閱。 4. 本任務(wù)書在畢業(yè)設(shè)計完成后，與論文一起交指導(dǎo)教師，作為論文評閱和畢業(yè)設(shè)計答辯的主要檔案資料，是學(xué)士學(xué)位論文成冊的主要內(nèi)容之一。 一、畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容和基本要求 50T門座式起重機(jī)設(shè)計，我的主要設(shè)計內(nèi)容是： 1．港口裝卸門座式起重機(jī)MQ5010總體設(shè)計計算： 1) 確定主要工作機(jī)構(gòu)（吊鉤總成、變幅懸臂、行走機(jī)構(gòu)等）和金屬結(jié)構(gòu)的形式； 2) 確定組合式臂架結(jié)構(gòu)主要尺寸； 3) 貨物水平位移補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)計； 4) 杠桿活對重式臂架自重平衡系統(tǒng)設(shè)計； 5) 各工作機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)的計算工況、計算載荷以及載荷組合； 6) 進(jìn)行總體穩(wěn)定性計算； 7) 進(jìn)行輪壓計算； 8) 整機(jī)穩(wěn)定性計算； 9) 繪制總體方案圖1張（A1）； 10) 繪制相關(guān)機(jī)構(gòu)總成圖； 11) 繪制相關(guān)零件圖； 12) 完成起重機(jī)總體設(shè)計計算書。 2．MQ5010起重機(jī)虛擬樣機(jī)制作： 1) 利用三維建模軟件（如PRO/E）建立起重機(jī)主要零部件三維裝配模型； 2) 嘗試?yán)肁DAMS軟件建立整機(jī)虛擬樣機(jī)； 3) 嘗試對虛擬樣機(jī)進(jìn)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真分析。 50T門座式起重機(jī)設(shè)計主要性能參數(shù)、要求： 1. 基本參數(shù)： 1) 起重量 50T； 2) 起升高度 20m； 3) 變幅幅度10m（極限狀態(tài)吊臂水平豎直角度皆為15°）； 4) 回轉(zhuǎn)角度 左右各180°； 5) 軌道坡度 按照起重機(jī)鐵路軌道設(shè)計國家標(biāo)準(zhǔn)。 2. 動態(tài)參數(shù)： 1) 起升 最大速度3m/s，加速時間3s； 2) 變幅 均速1m/s，加速時間2s； 3) 回轉(zhuǎn)速度18°/s，加速時間2s； 4) 行走速度1m/s，加速時間2s。 3. 工況參數(shù)： 1) 內(nèi)河港口起重機(jī)； 2) 安全系數(shù)取1.2； 3) 使用年限15年，每天工作8小時。 二、畢業(yè)設(shè)計圖紙內(nèi)容及張數(shù) 起重機(jī)設(shè)計圖紙 1) 起重機(jī)設(shè)計總圖一張 2) 吊鉤總成圖紙一張 3) 行走機(jī)構(gòu)裝配總圖一張 4) 行走輪系圖紙一張 5) 其他的非標(biāo)零件圖紙若干 6) 起重機(jī)三維整體模型及若干零件模型 起重機(jī)畢業(yè)設(shè)計開題報告一篇 起重機(jī)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 起重機(jī)畢業(yè)設(shè)計論文一篇 三、畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的軟硬件的名稱、內(nèi)容及主要技術(shù)指標(biāo) （例如：軟件、電路板、機(jī)電裝置、新材料、新制劑、結(jié)構(gòu)模型或其他） 50T門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型 四、畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度計劃 序號 各階段工作內(nèi)容 起訖日期 實施地點 1 熟悉課題的背景，收集資料，閱讀參考書； 2013.03.01 ~ 2013.03.04（3天） 學(xué)校 2 南昌昌北碼頭畢業(yè)實習(xí)，撰寫實習(xí)報告； 2013.03.05 ~ 2013.03.06（2天） 昌北碼頭 學(xué)校 3 撰寫畢業(yè)設(shè)計開題報告，明確設(shè)計任務(wù)； 2013.03.06 ~ 2013.03.10（4天） 學(xué)校 4 撰寫畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書，明確設(shè)計流程及階段性目標(biāo)； 2013.03.10 ~ 2013.03.13（2天） 學(xué)校 5 方案的選擇及總體方案的確定； 2013.03.14 ~ 2013.03.19（5天） 實驗室 6 各工作機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)的計算工況、計算載荷以及載荷組合 2013.03.20 ~ 2013.03.22（2天） 實驗室 7 吊鉤總成的設(shè)計計算； 2013.03.23 ~ 2013.03.24（1天） 實驗室 8 計算并選用鋼絲繩； 2013.03.24 ~ 2013.03.25（1天） 實驗室 9 吊鉤總成的設(shè)計計算； 2013.03.25 ~ 2013.03.26（1天） 實驗室 10 貨物水平位移補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)計； 2013.03.27 ~ 2013.03.29（2天） 實驗室 11 臂架的設(shè)計與校核； 2013.03.30 ~ 2013.04.05（6天） 實驗室 12 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計，輪壓計算； 2013.04.06 ~ 2013.04.16（10天） 實驗室 13 起重機(jī)其他總成及相關(guān)機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計； 2013.04.17 ~ 2013.04.19（2天） 實驗室 14 起重機(jī)整機(jī)穩(wěn)定性計算； 2013.04.20 ~ 2013.04.23（2天） 實驗室 15 繪制相關(guān)圖紙，建立起重機(jī)三維模型，嘗試建立虛擬樣機(jī)； 2013.04.24 ~ 2013.05.21（28天） 實驗室 16 完成畢業(yè)設(shè)計論文，準(zhǔn)備好答辯PPT及其他材料。 2013.05.22 ~ 2013.05.30（7天） 實驗室 五、主要參考資料 [1]哈爾濱建筑工程學(xué)院主編.《工程起重機(jī)》（第一版）中國建筑工業(yè)出版社.1981。 [2]《起重機(jī)設(shè)計手冊》編寫組編.《起重機(jī)設(shè)計手冊》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1980。 [3]陳道南等編.《起重運輸機(jī)械》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1981。 [4]《起重運輸設(shè)備選用手冊》編寫組編.《起重運輸設(shè)備選用手冊》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1991。 [5]孫桂林主編.《起重搬運機(jī)械安全技術(shù)》（第一版）中國物資出版社.1991。 [6]饒振剛編著.《行星齒輪傳動設(shè)計》（第一版）化學(xué)工業(yè)出版社.2003。 [7]濮良貴 紀(jì)名剛主編《機(jī)械設(shè)計》（第七版）高等教育出版社.2001。 [8]王昆等編《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》（第一版）高等教育出版社.2000。 [9]余俊等編.《機(jī)械設(shè)計》（第二版）高等教育出版社.1986。 [10]《減速器實用技術(shù)手冊》編委會編《減速器實用技術(shù)手冊》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1992。 [11]唐保寧 高學(xué)滿主編《機(jī)械設(shè)計與制造簡明手冊》（第二版）同濟(jì)大學(xué)出版社出版.1993。 [12]段嗣福等編.《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》（第一版）中國礦業(yè)大學(xué)出版.1994。 六、畢業(yè)設(shè)計進(jìn)度表（本表至少每兩周由學(xué)生填寫一次，交指導(dǎo)教師簽署審查意見） 第一、二周 （ 月 日至 月 日） 學(xué)生主要工作： 指導(dǎo)教師審查意見： 簽名： 年 月 日 第三、四周 （ 月 日至 月 日） 學(xué)生主要工作： 指導(dǎo)教師審查意見： 簽名： 年 月 日 第五、六周 （ 月 日至 月 日） 學(xué)生主要工作： 指導(dǎo)教師審查意見： 簽名： 年 月 日 第七、八周 （ 月 日至 月 日） 學(xué)生主要工作： 指導(dǎo)教師審查意見： 簽名： 年 月 日 第九、十周 （ 月 日至 月 日） 學(xué)生主要工作： 指導(dǎo)教師審查意見： 簽名： 年 月 日 第十一周至畢業(yè) 設(shè)計工作結(jié)束 （ 月 日至 月 日） 學(xué)生主要工作： 指導(dǎo)教師審查意見： 簽名： 年 月 日 七、其他（學(xué)生提交） 1．開題報告1份 2．外文資料譯文1份（2000字以上，并附資料原文） 3．論文1份（8000字以上） 指 導(dǎo) 教 師： 學(xué)科組負(fù)責(zé)人： 學(xué)生開始執(zhí)行 任務(wù)書日期： 學(xué)生姓名： 送交畢業(yè)設(shè)計日期： 7 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題 目： 40T門座起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)及重要總成設(shè)計 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 系 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 填表日期： 一、 選題的依據(jù)及意義： 起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)在實現(xiàn)出產(chǎn)過程機(jī)械化，自動化，改善物料搬運條件，提高勞動出產(chǎn)率必不可少的機(jī)械設(shè)備。它對于發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)，改善人們的物質(zhì)，文化生活的需要都起著重要作用。隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展，機(jī)械化，自動化程度也不斷的提高，與此相適應(yīng)的起重機(jī)技術(shù)也在發(fā)展，產(chǎn)物種類不斷增加，使用規(guī)模也越來越廣。高層建筑的施工，上萬噸級或幾十萬噸級的大型船只的建造，火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射，大型電站的施工和安裝，大重件的裝卸與搬運等，都離不開起重機(jī)的作業(yè)。 起重機(jī)不僅可以作為輔助的出產(chǎn)設(shè)備，完成原料、半成品、產(chǎn)物的裝卸、搬運，進(jìn)行機(jī)電設(shè)備、船體分段的吊運與安裝，而且也是一些出產(chǎn)過程及工藝操作中的必需的裝備。再如冶煉金屬工業(yè)出產(chǎn)中的爐料籌辦、加料、鋼水澆鑄成錠、脫模取錠等，必需依靠起重機(jī)進(jìn)行出產(chǎn)作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，在國內(nèi)的冶煉金屬、煤炭部門的機(jī)械設(shè)備總數(shù)量或總自重中，起重運輸機(jī)械約占45%。起重機(jī)是機(jī)械化作業(yè)的重要的事物基礎(chǔ)，是一些工業(yè)企業(yè)中主要的固定資產(chǎn)。對于工礦企業(yè)、港口碼頭、車站庫場、建筑施工工地，和海洋開發(fā)、宇宙航行等部門，起重機(jī)已成為主要的出產(chǎn)力要素，在出產(chǎn)中進(jìn)行著高效的工作，組成合理社團(tuán)批量出產(chǎn)和機(jī)械化流水作業(yè)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代化出產(chǎn)的重要標(biāo)志之一。 因此對起重機(jī)械展開設(shè)計研究和優(yōu)化，是一項意義和前景兼具的非常重要的工作。由于起重機(jī)械設(shè)計的范圍很寬，在有限的時間內(nèi)不可能做到面面俱到。結(jié)合南昌本地有內(nèi)河港口的優(yōu)勢，對港口的主要生產(chǎn)要素門座式起重機(jī)展開研究設(shè)計，將是一項合理又具有前景的工作。通過這樣一個過程，一方面可以加強(qiáng)我們對港口起重機(jī)械的作業(yè)原理的認(rèn)知，另一方面則可以加深我們對四年專業(yè)知識學(xué)習(xí)的理解和運用。為我們今后從事機(jī)械行業(yè)，向更高目標(biāo)的攀爬打好基礎(chǔ)。 二、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）： 門座起重機(jī)（見右下角圖1）作為物料搬運機(jī)械中的最主要的一種，在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。門座式起重機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)中是必不可少的，畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行門座式起重機(jī)的設(shè)計，不但有利于我們對大學(xué)所學(xué)知識的掌握并運用，同時通過查找和學(xué)習(xí)國內(nèi)外相關(guān)的先進(jìn)設(shè)計制造技術(shù)，可大大地提高我們對國內(nèi)外起重機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀的了解程度，對我們未來的學(xué)習(xí)和工作有著積極而又深遠(yuǎn)的意義。 門座式起重機(jī)是露天物料搬運廣泛采用的大型裝卸機(jī)械，它與其它類型的起重機(jī)相比，具有起重量大，作業(yè)空間大，貨場面積利用率高，裝卸效率高，基建投資少，運行成本低等優(yōu)點。同時，門座式機(jī)也是與連續(xù)輸送機(jī)械組成機(jī)械化裝卸系統(tǒng)的理論機(jī)種，在國外工業(yè)先進(jìn)國家，不僅機(jī)械作業(yè)比重大，而且機(jī)械作業(yè)己實現(xiàn)體系化、專業(yè)化和自動化，所以門機(jī)已被列為改擴(kuò)建綜合性貨場、集裝箱貨場和散料貨場的主要配套機(jī)種，應(yīng)用前景寬廣。 圖1 門座式起重機(jī)由于用途不同，分為船塢用門式起重機(jī)，水電站用門式起重機(jī)，集裝箱門式起重機(jī)，裝卸橋和通用門式起重機(jī)。 目前，國內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)大型起重機(jī)的廠家很多。其中以中聯(lián)重科、三一重工等公司產(chǎn)品系列較全，市場占有率較高。國外專業(yè)生產(chǎn)大型起重機(jī)廠家很多。其中利勃海爾、特雷克斯-德馬格、馬尼托瓦克與神鋼等公司產(chǎn)品系列較全， 市場占有率較高。 未來的一段時間內(nèi)，起重機(jī)的發(fā)展趨勢包括以下幾個方面： （1）大型化和專用化。用模塊化設(shè)計代替?zhèn)鹘y(tǒng)的整機(jī)設(shè)計方法，將起重機(jī)上功能基本相同的構(gòu)件、部件和零件制成有多種用途，有相同聯(lián)接要素和可互換的標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過不同模塊的相互組合，形成不同類型和規(guī)格的起重機(jī)。對起重機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，只需針對某幾個模塊。設(shè)計新型起重機(jī)，只需選用不同模塊重新進(jìn)行組合?？墒箚渭∨可a(chǎn)的起重機(jī)改換成具有相當(dāng)批量的模塊生產(chǎn)，實現(xiàn)高效率的專業(yè)化生產(chǎn)，企業(yè)的生產(chǎn)組織也可由產(chǎn)品管理變?yōu)槟K管理。達(dá)到改善整機(jī)性能，降低制造成本，提高通用化程度，用較少規(guī)格數(shù)的零部件組成多品種、多規(guī)格的系列產(chǎn)品，充分滿足用戶需求。 目前，德國、英國、法國、美國和日本的著名起重機(jī)公司都已采用起重機(jī)模塊化設(shè)計，并取得了顯著的效益。德國德馬格公司的標(biāo)準(zhǔn)起重機(jī)系列改用模塊化設(shè)計后，比單件設(shè)計的設(shè)計費用下降12%，生產(chǎn)成本下降45%，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。德國德馬格公司還開發(fā)了一種KBK柔性組合式懸掛起重機(jī)，起重機(jī)的鋼結(jié)構(gòu)由冷軋型軌組合而成，起重機(jī)運行線路可沿生產(chǎn)工藝流程任意布置，可有叉道、轉(zhuǎn)彎、過跨、變軌距。所有部件都可實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，再根據(jù)用戶的不同需求和具體物料搬運路線在短時間內(nèi)將各種部件組合搭配即成。這種起重機(jī)組合性非常好，操作方便，能充分利用空間，運行成本低。有手動、自動多種形式，還能組成懸掛系統(tǒng)、單梁懸掛起重機(jī)、雙梁懸掛起重機(jī)、懸臂起重機(jī)、輕型門式起重機(jī)及手動堆垛起重機(jī)，甚至能組成大型自動化物料搬運系統(tǒng)。 （2）輕型化和多樣化。有相當(dāng)批量的起重機(jī)是在通用的場合使用，工作并不很繁重。這類起重機(jī)批量大、用途廣，考慮綜合效益，要求起重機(jī)盡量降低外形高度，簡化結(jié)構(gòu)，減小自重和輪壓，也可使整個建筑物高度下降，建筑結(jié)構(gòu)輕型化，降低造價。因此電動葫蘆橋式起重機(jī)和梁式起重機(jī)會有更快的發(fā)展，并將大部分取代中小噸位的一般用途橋式起重機(jī)。德國德馬格公司經(jīng)過幾十年的開發(fā)和創(chuàng)新，已形成了一個輕型組合式的標(biāo)準(zhǔn)起重機(jī)系列。起重量為1-63噸，工作級別為A1-A7，整個系列由工字形和箱型單梁、懸掛箱形單梁、角形小車箱形單梁和箱形雙梁等多個品種組成。主梁與端梁相接以及起重小車的布置有多種型式，可適合不同建筑物及不同起吊高度的要求。根據(jù)用戶需要每種規(guī)格起重機(jī)都有三種單速及三種雙速供任意選擇，還可以選用變頻調(diào)速。操縱方式有地面手電門自行移動、手電門隨小車移動、手電門固定、無線遙控、司機(jī)室固定、司機(jī)室隨小車移動、司機(jī)室自行移動等七種選擇。大車及小車的供電有電纜小車導(dǎo)電、DVS系統(tǒng)兩種方式。如此多的選擇項，通過不同的組合，可搭配成百上千種起重機(jī)，充分滿足用戶不同的需求。 （3）自動化和智能化。起重機(jī)的更新和發(fā)展，在很大程度上取決于電氣傳動與控制的改進(jìn)。將機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)相結(jié)合，將先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、光纜技術(shù)、液壓技術(shù)、模糊控制技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械的驅(qū)動和控制系統(tǒng)，實現(xiàn)起重機(jī)的自動化和智能化。大型高效起重機(jī)的新一代電氣控制裝置已發(fā)展為全電子數(shù)字化控制系統(tǒng)。主要由全數(shù)字化控制驅(qū)動裝置、可編程序控制器、故障診斷及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、數(shù)字化操縱給定檢測等設(shè)備組成。變壓變頻調(diào)速、射頻數(shù)據(jù)通訊、故障自診監(jiān)控、吊具防搖的模糊控制、激光查找起吊物重心、近場感應(yīng)防碰撞技術(shù)、現(xiàn)場總線、載波通訊及控制、無接觸供電及三維條形碼技術(shù)等將廣泛得到應(yīng)用。使起重機(jī)具有更高的柔性，以適合多批次少批量的柔性生產(chǎn)模式，提高單機(jī)綜合自動化水平。重點開發(fā)以微處理機(jī)為核心的高性能電氣傳動裝置，使起重機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速和靜動特性，可進(jìn)行操作的自動控制、自動顯示與記錄，起重機(jī)運行的自動保護(hù)與自動檢測，特殊場合的遠(yuǎn)距離遙控等，以適應(yīng)自動化生產(chǎn)的需要。 （4）成套化和系統(tǒng)化。在起重機(jī)單機(jī)自動化的基礎(chǔ)上，通過計算機(jī)把各種起重運輸機(jī)械組成一個物料搬運集成系統(tǒng)，通過中央控制室的控制，與生產(chǎn)設(shè)備有機(jī)結(jié)合，與生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。這類起重機(jī)自動化程度高，具有信息處理功能，可將傳感器檢測出來的各種信息實施存儲、運算、邏輯判斷、變換等處理加工，進(jìn)而向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出控制指令。這類起重機(jī)還具有較好的信息輸入、輸出接口，實現(xiàn)信息全部、準(zhǔn)確、可靠地在整個物料搬運集成系統(tǒng)中的傳輸。起重機(jī)通過系統(tǒng)集成，能形成不同機(jī)種的最佳匹配和組合，取長補(bǔ)短，發(fā)揮最佳效用。目前重點發(fā)展的有工廠生產(chǎn)搬運自動化系統(tǒng)，柔性加工制造系統(tǒng)，商業(yè)貨物配送集散系統(tǒng)，集裝箱裝卸搬運系統(tǒng)，交通運輸和郵電部門行包貨物的自動分揀與搬運系統(tǒng)等。 （5）新型化和實用化。結(jié)構(gòu)方面采用薄壁型材和異形鋼、減少結(jié)構(gòu)的拼接焊縫，提高抗疲勞性能。采用各種高強(qiáng)度低合金鋼新材料，提高承載能力，改善受力條件，減輕自重和增加外形美觀。橋式起重機(jī)的橋架結(jié)構(gòu)型式大多采用箱形四梁結(jié)構(gòu)，主梁與端梁采用高強(qiáng)度螺栓聯(lián)接，便于運輸與安裝。 在機(jī)構(gòu)方面進(jìn)一步開發(fā)新型傳動零部件，簡化機(jī)構(gòu)?！叭弦弧边\行機(jī)構(gòu)是當(dāng)今世界輕、中級起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)的主流，將電動機(jī)、減速器和制動器合為一體，具有結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧美觀、拆裝方便、調(diào)整簡單、運行平穩(wěn)、配套范圍大等優(yōu)點，國外已廣泛應(yīng)用到各種起重機(jī)運行機(jī)構(gòu)上。為使中小噸位的起重小車結(jié)構(gòu)盡量簡化，同時降低起重機(jī)的尺寸高度，減小輪壓，國外已大量采用電動葫蘆作為起升機(jī)構(gòu)。為了減輕自重，提高承載能力，改善加工制造條件，增加產(chǎn)品成品率，零部件盡量采用以焊代鑄，如減速器殼體、卷簡、滑輪等都用焊接結(jié)構(gòu)。減速器齒輪都采用硬齒面，以減輕自重、減小體積、提高承載能力、增加使用壽命。液壓推桿盤式制動器的應(yīng)用范圍也越來越大。此外，各機(jī)構(gòu)采用的電動機(jī)都向高轉(zhuǎn)速發(fā)展，從而減小電機(jī)基座號，減輕重量與減小外形尺寸，并可配用制動力矩小的制動器。 在電控方面開發(fā)性能好、成本低、可靠性高的調(diào)速系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，發(fā)展半自動和全自動操縱。采用機(jī)電儀液一體化技術(shù)，提高使用性能和可靠性，增加起重機(jī)的功能。今后會更加注重起重機(jī)的安全性，研制新型安全保護(hù)裝置。重視司機(jī)的工作條件，應(yīng)用人體工程學(xué)設(shè)計司機(jī)室，降低司機(jī)的勞動強(qiáng)度。德國近年為解決起重機(jī)吊鉤的防擺控制，開發(fā)了模糊邏輯電路的控制技術(shù)，用神經(jīng)信息和模糊技術(shù)來尋找開始加速的最佳時刻，將有經(jīng)驗司機(jī)防擺實際操作的數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，實現(xiàn)最優(yōu)控制。模糊控制方式能確定實施自動工作的控制指令，將人們主觀上的模糊量通過模糊集合進(jìn)行數(shù)字化定量，再利用計算機(jī)實現(xiàn)像熟練司機(jī)一樣的自如操作，取得了更高的效率和安全性。模糊控制作為新的控制方法已引人注目。 （6）混合型起重機(jī)。履帶起重機(jī)和輪式起重機(jī)各有利弊，將兩者取長補(bǔ)短后，混合型起重機(jī)應(yīng)運而生，這也是起重機(jī)新型式的大膽嘗試與突破。 三、 本課題研究內(nèi)容 1) 檢索有關(guān)外文專業(yè)資料及專業(yè)文獻(xiàn)資料，了解起重機(jī)的研究成果，并進(jìn)行摘要，整理出不少于2000字的中文翻譯。 2) 港口門座式起重機(jī)總體設(shè)計，確定門座起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)及其他重要總成的結(jié)構(gòu)形式。 3) 港口門座起重機(jī)各工況載荷計算以及載荷組合。 4) 港口門座起重機(jī)行走機(jī)構(gòu)設(shè)計與計算，確定行走機(jī)構(gòu)的組成結(jié)構(gòu)形式，選擇電機(jī)與傳動鏈，設(shè)計其他相關(guān)結(jié)構(gòu)。 5) 門座起重機(jī)總裝、行走機(jī)構(gòu)總裝以及其他重要總成圖紙繪制。 6) 門座起重機(jī)其他重要非標(biāo)零件圖繪制。 四、 本課題研究方案 40T門座式起重機(jī)的整機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如下圖2所示： 圖2 在這次畢業(yè)設(shè)計中，所有參與起重機(jī)設(shè)計的人員將被分為幾個小組，每個小組包含4個人，每個人負(fù)責(zé)門座式起重機(jī)四大主要機(jī)構(gòu)（起升、變幅、回轉(zhuǎn)、行走）中的一個。 在40T門座式起重機(jī)的設(shè)計中我負(fù)責(zé)的主要是行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計。下面將就我的設(shè)計內(nèi)容的研究方案展示如下： 1．港口裝卸門座式起重機(jī)總體設(shè)計計算： 1) 確定主要工作機(jī)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)的形式； 2) 各工作機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)的計算工況、計算載荷以及載荷組合； 3) 吊鉤總成設(shè)計； 4) 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計； 5) 進(jìn)行總體穩(wěn)定性計算； 6) 進(jìn)行輪壓計算； 7) 整機(jī)穩(wěn)定性計算； 8) 繪制總體方案圖1張（A1）； 9) 繪制相關(guān)機(jī)構(gòu)總成圖； 10) 繪制相關(guān)零件圖； 11) 完成起重機(jī)總體設(shè)計計算書。 五、 研究目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度： 通過40T門座式起重機(jī)設(shè)計，自己應(yīng)該對起重設(shè)備有了更多的概念性的理解，特別是對內(nèi)河港口的門座式起重機(jī)應(yīng)該要具有更深入的專業(yè)的認(rèn)識。再設(shè)計起重機(jī)的過程中，要深刻把握機(jī)械設(shè)備設(shè)計四個原則： 機(jī)構(gòu)原理要可行，結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理，工藝考慮要成熟，成本分析要適宜。 同時，在設(shè)計的過程中，要注意養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、一絲不茍的設(shè)計作風(fēng)。對每一項設(shè)計結(jié)果要做到有據(jù)可查。在編輯設(shè)計說明書時，應(yīng)該做到對相關(guān)的設(shè)計結(jié)果、決策及時的做腳注、尾注等。設(shè)計說明書文檔脈絡(luò)清晰、結(jié)構(gòu)明了、排版合理。 另外，有意識的培養(yǎng)、鍛煉自己的現(xiàn)代設(shè)計的觀念、能力。結(jié)合PRO/E、Adams、Autocad、Matlab等相關(guān)的行業(yè)設(shè)計軟件提高自己的設(shè)計效率，也延伸和增強(qiáng)了自己的設(shè)計手段和能力。 根據(jù)起重機(jī)設(shè)計的要求和目的，合理的安排設(shè)計工作的流程，可如下圖3所示： 圖3 具體的工作進(jìn)度和安排在畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書中將詳細(xì)指出。 六、參考文獻(xiàn)： [1]哈爾濱建筑工程學(xué)院主編.《工程起重機(jī)》（第一版）中國建筑工業(yè)出版社.1981。 [2]《起重機(jī)設(shè)計手冊》編寫組編.《起重機(jī)設(shè)計手冊》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1980。 [3]陳道南等編.《起重運輸機(jī)械》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1981。 [4]《起重運輸設(shè)備選用手冊》編寫組編.《起重運輸設(shè)備選用手冊》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1991。 [5]孫桂林主編.《起重搬運機(jī)械安全技術(shù)》（第一版）中國物資出版社.1991。 [6]饒振剛編著.《行星齒輪傳動設(shè)計》（第一版）化學(xué)工業(yè)出版社.2003。 [7]濮良貴 紀(jì)名剛主編《機(jī)械設(shè)計》（第七版）高等教育出版社.2001。 [8]王昆等編《機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計》（第一版）高等教育出版社.2000。 [9]余俊等編.《機(jī)械設(shè)計》（第二版）高等教育出版社.1986。 [10]《減速器實用技術(shù)手冊》編委會編《減速器實用技術(shù)手冊》（第一版）機(jī)械工業(yè)出版社.1992。 [11]唐保寧 高學(xué)滿主編《機(jī)械設(shè)計與制造簡明手冊》（第二版）同濟(jì)大學(xué)出版社出版.1993。 [12]段嗣福等編.《機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)》（第一版）中國礦業(yè)大學(xué)出版.1994。 [13] 張紅松.《pro/e 4.0中文版從入門到精通》[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008. [14] 王國強(qiáng). 虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在ADAMS上的實踐. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2002. 基于光彈性的起重機(jī)吊鉤的應(yīng)力應(yīng)力分析與校核 Rashmi Uddanwadiker 機(jī)械工程系，維斯瓦力亞國家技術(shù)研究所，納格浦爾，印度 E-mail: rashmiu71@rediffmail.com 2011.07.27收到；2011.08.12校訂；2011.08.26接受 摘要 起重機(jī)吊鉤是起重設(shè)備的關(guān)鍵零件并且時常會因為承受了可能最終導(dǎo)致失效的重載的積累而最終失效。準(zhǔn)備好一個實體的起重機(jī)吊鉤零件，在三坐標(biāo)測量機(jī)（Coordinate Measuring Machine）和CAD軟件的協(xié)助下來研究起重機(jī)吊鉤加載情況下的應(yīng)力模式。在已獲得的起重機(jī)吊鉤3D模型上就可以實時顯示應(yīng)力集中情況?？梢酝ㄟ^在漫射光偏光儀上檢測起重機(jī)吊鉤的亞克力塑料模型來驗證其應(yīng)力分布的正確性。通過預(yù)測起重機(jī)吊鉤的應(yīng)力集中的區(qū)域，更改相關(guān)結(jié)構(gòu)，可以延長其使用壽命降低其失效率。 關(guān)鍵詞:光彈性,起重機(jī)吊鉤、有限元法、彎梁,應(yīng)力光學(xué)定律 1.簡介 起重機(jī)吊鉤是一種典型的用于工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵零件。它的本質(zhì)是一個被設(shè)計用于嚙合一個起重鏈上的環(huán)或鏈、鉤形鐵或者纜繩的起升夾具，它必須遵守相應(yīng)的安全準(zhǔn)則［1-4］。因此，對于這樣的在工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的零件必須要在不失效且能發(fā)揮最大性能的前提下被設(shè)計生產(chǎn)出來。本課題研究的目的在于通過有限元法分析起重機(jī)吊鉤上的應(yīng)力分布形式并通過光彈性來驗證研究的結(jié)果。 2.起重機(jī)吊鉤失效 為了降低起重機(jī)吊鉤的失效率［5］，必須研究其內(nèi)部的應(yīng)力情況。起重機(jī)要收到連續(xù)的加載和卸載。這造成了起重機(jī)吊鉤的疲勞失效但這種疲勞周期很低［6］。如果起重機(jī)吊鉤內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，將引起吊鉤的斷裂并引發(fā)嚴(yán)重的事故。韌性斷裂中，裂紋因連續(xù)延展而易于發(fā)覺，因而優(yōu)于脆性斷裂。脆性斷裂中，裂紋產(chǎn)生突然吊鉤也將突然失效［7］。這種斷裂難以檢測，因此是十分危險的。由于反復(fù)的加載和卸載而導(dǎo)致的應(yīng)變老化和脆化［8］將改變吊鉤的金相結(jié)構(gòu)。彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力，磨損而導(dǎo)致的吊鉤弱化，超載而導(dǎo)致的吊鉤塑性變形，和過度的熱應(yīng)力是導(dǎo)致吊鉤失效的其他原因。因此，吊鉤的長時間的使用將會增強(qiáng)這些因素的作用，最終將導(dǎo)致吊鉤的失效。 3.應(yīng)力分析的方法 應(yīng)力分析分為兩個階段：1）對吊鉤的近似亞克力塑料模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析并且通過光彈性理論來驗證結(jié)果。2）分析假設(shè)鉤是一種曲梁結(jié)構(gòu)，使用精確地鉤的有限元分析來驗證。在ANSYS中建立一個類似于亞克力鉤的模型的有限元程序的虛擬模型，將其應(yīng)力分析的結(jié)果與光彈性理論分析的結(jié)果進(jìn)行交叉比對。在使用CAD軟件建立一個類似于真實吊鉤的虛擬模型之后，就可以通過之前的分析方法利用有限元分析進(jìn)行驗證。 4.有限元分析（FEA） 有限元法［9,10］已經(jīng)成為解決工程領(lǐng)域內(nèi)很多可以通過數(shù)值求解的問題的強(qiáng)大工具。起重機(jī)吊鉤的亞克力模型的形狀和尺寸要素是畫在ANSYS11.0里面的以便于對其進(jìn)行應(yīng)力分析。之后其將被擠壓至9.885mm，以形成一個三維模型的鉤子。這里的9.885mm是模型的平均厚度。我們可以自己定義模型的材料屬性和元素類型并且模型是一種擁有與全局變量比如3相關(guān)的智能尺寸的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。圖1顯示了力的加載和約束的網(wǎng)狀的有限元模型。圖2則顯示了之后獲得的主應(yīng)力和馮?米塞斯應(yīng)力模式。 5.光彈性理論 為了驗證有限元分析所獲得的結(jié)論，本實驗引入了光彈性的概念。這個概念是用來確定不規(guī)則形體內(nèi)影響應(yīng)力集中和分布的因素。該方法是基于某些透明材料所產(chǎn)生的雙折射的相關(guān)性質(zhì)。雙折射是當(dāng)一縷光通過一種具有兩種折射率的材料時所產(chǎn)生的現(xiàn)象。因此，起重機(jī)吊鉤的模型選擇了這種材 圖1. 網(wǎng)狀約束模型 圖2. 模型中的主應(yīng)力 料進(jìn)行研究。該模型具有與需要進(jìn)行應(yīng)力分析的構(gòu)件的相似的結(jié)合結(jié)構(gòu)。這確保了模型中的應(yīng)力狀態(tài)與吊鉤中的是相似的。 5.1.應(yīng)力光學(xué)定律 當(dāng)平行的偏振光通過光彈性材料，它將分解成沿兩個主應(yīng)力方向的光束，且這兩束光將具有不同的折射率［11］。折射率的差異導(dǎo)致兩分離出的光波有相對的相位延遲。而應(yīng)力光學(xué)定律正好給出了相對延遲的值的大?。? R=Ctσ11-σ22 式中R指的是相對延遲的量，C是應(yīng)力光學(xué)系數(shù)，t 是試樣的厚度，σ11是第一主應(yīng)力，σ22是第二主應(yīng)力。 這兩列波之后將聚集在一個偏振鏡裝置里。因此可以通過研究其干涉圖樣來確定材料中不同位置的應(yīng)力狀態(tài)。 刻度盤是用來標(biāo)記材料的條紋值fσ。亞克力模型的圓盤放置在圓形偏光鏡裝置中并受到壓力載荷。圖3顯示了加載盤的干涉圖樣。記下各種情況下邊緣的負(fù)荷值。 使用公式fσ=8pπDN=11.15 式中 P=特定邊緣的負(fù)載值大小 N=邊緣負(fù)載處的條紋級序 D=圓盤的直徑=7.01cm 圖3. 鈉光下的應(yīng)力光彈性模式 某點處的應(yīng)力大小可以通過此式計算：σ1-σ22=Nfσt 式中σ1=最大主應(yīng)力，σ2=最小主應(yīng)力，t=鉤子的厚度。 6.結(jié)論 對于起重機(jī)吊鉤的近視模型，有限元分析中的應(yīng)力誘導(dǎo)參考了光彈性實驗。對于亞克力起重機(jī)吊鉤模型的分析結(jié)果如下： ANSYS v/s實驗 如圖4所示，從ANSYS中獲得的最大主應(yīng)力值是12.35Nmm2，實驗中獲取的最 （a） （b） 圖4. 亞克力模型的應(yīng)力分布圖 （a）有限元分析； （b）光彈性實驗 大主應(yīng)力值是11.121Nmm2。不同的方式獲取的值非常相近，僅有5.76%的誤差。 產(chǎn)生最終數(shù)值的差異可能是基于這樣的事實。很難確切的知道平面靠近內(nèi)表面邊緣的應(yīng)力值因此12.35也不是完全準(zhǔn)確的。圖5顯示出了ANSYS軟件中分析得到的起重機(jī)吊鉤近似模型的最大應(yīng)力的位置。 上述的結(jié)果顯示出了有限元分析的準(zhǔn)確性，這種方法完全適應(yīng)于對復(fù)雜和精確模型的研究。因此在第二階段的研究中，對起重機(jī)吊鉤進(jìn)行了精確地分析計算并用ANSYS作了驗證。 7.分析方法 起重機(jī)吊鉤是彎曲梁［12］，因此微小彎曲及直梁的簡單理論不能給出準(zhǔn)確的答案。應(yīng)力分布在這種深度的梁，受純彎曲，是非線性的（準(zhǔn)確的說，是雙曲線），中性面的位置也從質(zhì)心改變到其曲率中心。如圖6所示的鉤子，組成部分并不狹長，但有一個急彎，它的橫斷面尺寸比其曲率半徑還要大。 圖5. 邊界變化 圖6. 彎梁及其截面面積 半徑處的應(yīng)變 r= 很明顯應(yīng)變在中性軸處為0而在梁的外半徑處有最大值。應(yīng)用關(guān)系式應(yīng)力/應(yīng)變=E，一般的應(yīng)力就容易得到了。 中性軸的位置是指在中性軸的整個區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力和面積的乘積為0。 化簡為 因此 事實上壓力來源于彎矩，在抵抗變形的瞬時，力臂、整個中性面以及σdA的乘積的部分。最大應(yīng)力發(fā)生的內(nèi)外表面。 截面的形心是 因此 最大應(yīng)力產(chǎn)生在內(nèi)外表面， 內(nèi)表面的應(yīng)力： 外表面的應(yīng)力： 曲梁彎曲公式適用在當(dāng)梁滿足曲率與梁寬度比例在合理范圍的情況rch>5（矩形截面）。隨著比例的增加，由曲梁公式以及一般梁公式計算出來的最大應(yīng)力的差異會減小。上面的方程對純彎曲的情況是有效的。對于起重機(jī)吊鉤，彎矩的大小應(yīng)根據(jù)被考慮的截面一側(cè)作用力的大小確定。假定計算區(qū)域的截面形狀為梯形［13］。圖7中所示的盈利大小即是在產(chǎn)生最大應(yīng)力的A-A截面上計算得到的。 圖7. 起重機(jī)吊鉤截面分析 8.精確模型的有限元分析 圖8（a）所示的起重機(jī)吊鉤的鍛造實體，為ANSYS中對吊鉤實體建模提供了參照。利用三坐標(biāo)測量機(jī)獲得鍛造實體的點云數(shù)據(jù)并在PRO/E軟件中建立其實體模型。之后將PRO/E中的吊鉤的實體模型導(dǎo)入ANSYS軟件環(huán)境。按照之前討論的有限元分析的方法對吊鉤進(jìn)行有限元分析并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖8（b）顯示了應(yīng)力的大小及分布的位置。 9.結(jié)果 將第7節(jié)提到的通過分析計算得到的應(yīng)力與通過有限元分析得到的結(jié)果進(jìn)行分析對比。 （a） （b） 圖8. （a）實際起重機(jī)吊鉤；（b）有限元分析得到的應(yīng)力模型。 ANSYS v/s 分析 計算所獲得的最大應(yīng)力值=12.35N/mm2，ANSYS中獲得的最大應(yīng)力值=13.372N/mm2。結(jié)果非常相近，僅有13.372-12.3512.35=8.26%的誤差。 產(chǎn)生誤差的原因可能有以下幾個方面：1）實際計算中假定的是點載荷而在ANSYS中載荷作用在一組節(jié)點上。2）截面的形狀是不規(guī)則的四邊形。3）截面在變形之后無法保證是一個平面。 通過分析計算，吊鉤上的應(yīng)力變化結(jié)果可通過圖9表示。 內(nèi)表面的最大拉應(yīng)力為150.72N/mm2，外表面的壓應(yīng)力為44.23N/mm2。如圖9所示，應(yīng)力的大小由最大值變?yōu)?，再由0變?yōu)槟骋粋€確切的值。核心的幾點內(nèi)容是： ANSYS中的最大應(yīng)力為135.46N/mm2；計算多的最大應(yīng)力為150.72N/mm2。 誤差是150.72-135.46135.46=10.12% 對于最外層為A-A截面： ANSYS分析應(yīng)力為43.728N/mm2；計算所得應(yīng)力為44.23N/mm2。 誤差是44.23-43.72843.728=1.01% 圖9. 實際模型中不同深度的應(yīng)力變化 產(chǎn)生誤差的原因： 分析計算之前有很多假的的情況（先前有過討論）。 PRO/E中建立的實體模型不可能和實際中的模型一模一樣。 10.結(jié)論 這次完整的研究創(chuàng)造性的運用了有限元分析來對分析測量出的應(yīng)力進(jìn)行了驗證。為了減少起重機(jī)吊鉤失效的概率，準(zhǔn)確的了解吊鉤上的應(yīng)力大小盒分布是十分必要的。隨著新的設(shè)計的復(fù)雜話分析計算也將變得更加復(fù)雜。 對減少吊鉤失效的建議。 制造過程：優(yōu)先選用鍛件，起重機(jī)吊鉤鍛件的強(qiáng)度要明顯好于鑄件。原因是澆鑄的液態(tài)金屬在凝固時，金屬內(nèi)部有殘余應(yīng)力，這將導(dǎo)致金屬晶體不均勻的形成。因此吊鉤鑄件不能承受高強(qiáng)度的負(fù)載。 粒度：壓力承載能力的大小取決于材料晶體的平均粒度，也就是承載區(qū)域內(nèi)晶體的平均大小。較小的晶粒尺寸能提高材料的承載能力。所以建議鍛造過程中要有經(jīng)理細(xì)化的工序。 （a） （b） 圖10.（a）去除材料后的吊鉤；（b）去除材料后的吊鉤 像焊接這樣的工序在吊鉤生產(chǎn)中應(yīng)該避免以防止其導(dǎo)致的應(yīng)力集中使吊鉤失效。 在吊鉤上去除材料增加了吊鉤上承載的應(yīng)力，因此方案不可行。這讓我們得出了以下的結(jié)論： 如圖10（a）所示，可以明顯的看到從小應(yīng)力集中的區(qū)域去除材料雖然減少了材料的成本，但卻增加了吊鉤內(nèi)部的應(yīng)力。 圖10（b）也讓我們認(rèn)識到吊鉤上如果有大量的材料去除時吊鉤上的應(yīng)力也會大量增加，這種做法也是不可行的。設(shè)計改進(jìn)措施：在應(yīng)力分析的過程中我們已經(jīng)知道了最大應(yīng)力的區(qū)域。如果最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在吊鉤內(nèi)側(cè)，可以擴(kuò)大承載區(qū)域的大小來減低應(yīng)力。分析證實如果吊鉤內(nèi)側(cè)厚度增加3毫米，應(yīng)力將減少17%。因此，可以再設(shè)計吊鉤的時候增加吊鉤內(nèi)側(cè)的厚度，這樣的話失效的概率將顯著的降低。 11.參考文獻(xiàn) 術(shù)語： σ=正應(yīng)力；ε=應(yīng)變；E=彈性模量； A=截面面積；e=離心率；M=彎矩； y=距離中性軸的距離；c0=中性軸距外表面的距離；ci=中性軸到內(nèi)表面的距離； r=任意位置處的曲率半徑；rn=中性軸處的曲率半徑；rc=形心處的曲率半徑； ro=外表面的曲率半徑；ri=內(nèi)表面的曲率半徑。 基于光彈性的起重機(jī)吊鉤的應(yīng)力應(yīng)力分析與校核基于光彈性的起重機(jī)吊鉤的應(yīng)力應(yīng)力分析與校核 Rashmi Uddanwadiker 機(jī)械工程系，維斯瓦力亞國家技術(shù)研究所，納格浦爾，印度 E-mail: 2011.07.27 收到；2011.08.12 校訂；2011.08.26 接受 摘要摘要 起重機(jī)吊鉤是起重設(shè)備的關(guān)鍵零件并且時常會因為承受了可能最終導(dǎo)致失效的重載的積累而最終失效。 準(zhǔn)備好一個實體的起重機(jī)吊鉤零件， 在三坐標(biāo)測量機(jī) （Coordinate Measuring Machine）和 CAD 軟件的協(xié)助下來研究起重機(jī)吊鉤加載情況下的應(yīng)力模式。在已獲得的起重機(jī)吊鉤 3D 模型上就可以實時顯示應(yīng)力集中情況?？梢酝ㄟ^在漫射光偏光儀上檢測起重機(jī)吊鉤的亞克力塑料模型來驗證其應(yīng)力分布的正確性。 通過預(yù)測起重機(jī)吊鉤的應(yīng)力集中的區(qū)域，更改相關(guān)結(jié)構(gòu)，可以延長其使用壽命降低其失效率。 關(guān)鍵詞:光彈性,起重機(jī)吊鉤、有限元法、彎梁,應(yīng)力光學(xué)定律 1 1. .簡介簡介 起重機(jī)吊鉤是一種典型的用于工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵零件。 它的本質(zhì)是一個被設(shè)計用于嚙合一個起重鏈上的環(huán)或鏈、 鉤形鐵或者纜繩的起升夾具， 它必須遵守相應(yīng)的安全準(zhǔn)則1-4 。因此，對于這樣的在工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的零件必須要在不失效且能發(fā)揮最大性能的前提下被設(shè)計生產(chǎn)出來。 本課題研究的目的在于通過有限元法分析起重機(jī)吊鉤上的應(yīng)力分布形式并通過光彈性來驗證研究的結(jié)果。 2.2.起重機(jī)吊鉤失效起重機(jī)吊鉤失效 為了降低起重機(jī)吊鉤的失效率5 ，必須研究其內(nèi)部的應(yīng)力情況。 起重機(jī)要收到連續(xù)的加載和卸載。 這造成了起重機(jī)吊鉤的疲勞失效但這種疲勞周期很低6 。如果起重機(jī)吊鉤內(nèi)部產(chǎn)生裂紋， 將引起吊鉤的斷裂并引發(fā)嚴(yán)重的事故。韌性斷裂中，裂紋因連續(xù)延展而易于發(fā)覺，因而優(yōu)于脆性斷裂。脆性斷裂中，裂紋產(chǎn)生突然吊鉤也將突然失效7 。這種斷裂難以檢測，因此是十分危險的。 由于反復(fù)的加載和卸載而導(dǎo)致的應(yīng)變老化和脆化8將改變吊鉤的金相結(jié)構(gòu)。彎曲應(yīng)力和拉伸應(yīng)力， 磨損而導(dǎo)致的吊鉤弱化，超載而導(dǎo)致的吊鉤塑性變形， 和過度的熱應(yīng)力是導(dǎo)致吊鉤失效的其他原因。因此，吊鉤的長時間的使用將會增強(qiáng)這些因素的作用，最終將導(dǎo)致吊鉤的失效。 3.3.應(yīng)力分析的方法應(yīng)力分析的方法 應(yīng)力分析分為兩個階段：1）對吊鉤的近似亞克力塑料模型進(jìn)行有限元應(yīng)力分析并且通過光彈性理論來驗證結(jié)果。2）分析假設(shè)鉤是一種曲梁結(jié)構(gòu)， 使用精確地鉤的有限元分析來驗證。在 ANSYS 中建立一個類似于亞克力鉤的模型的有限元程序的虛擬模型， 將其應(yīng)力分析的結(jié)果與光彈性理論分 析的結(jié)果進(jìn)行交叉比對。在使用 CAD 軟件建立一個類似于真實吊鉤的虛擬模型之后，就可以通過之前的分析方法利用有限元分析進(jìn)行驗證。 4.4.有限元分析有限元分析（FEA） 有限元法9,10已經(jīng)成為解決工程領(lǐng)域內(nèi)很多可以通過數(shù)值求解的問題的強(qiáng)大工具。 起重機(jī)吊鉤的亞克力模型的形狀和尺寸要素是畫在 ANSYS11.0 里面的以便于對其進(jìn)行應(yīng)力分析。之后其將被擠壓至9.885mm，以形成一個三維模型的鉤子。這里的 9.885mm 是模型的平均厚度。我們可以自己定義模型的材料屬性和元素類型并且模型是一種擁有與全局變量比如3相關(guān)的智能尺寸的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。 圖 1 顯示了力的加載和約束的網(wǎng)狀的有限元模型。 圖 2 則顯示了之后獲得的主應(yīng)力和馮米塞斯應(yīng)力模式。 5.5.光彈性理論光彈性理論 為了驗證有限元分析所獲得的結(jié)論， 本實驗引入了光彈性的概念。 這個概念是用來確定不規(guī)則形體內(nèi)影響應(yīng)力集中和分布的因素。 該方法是基于某些透明材料所產(chǎn)生的雙折射的相關(guān)性質(zhì)。 雙折射是當(dāng)一縷光通過一種具有兩種折射率的材料時所產(chǎn)生的現(xiàn)象。因此，起重機(jī)吊鉤的模型選擇了這種材 圖圖 1. 網(wǎng)狀約束模型網(wǎng)狀約束模型 圖圖 2. 模型中的主應(yīng)力模型中的主應(yīng)力 料進(jìn)行研究。 該模型具有與需要進(jìn)行應(yīng)力分析的構(gòu)件的相似的結(jié)合結(jié)構(gòu)。 這確保了模型中的應(yīng)力狀態(tài)與吊鉤中的是相似的。 5.1.5.1.應(yīng)力光學(xué)定律應(yīng)力光學(xué)定律 當(dāng)平行的偏振光通過光彈性材料， 它將分解成沿兩個主應(yīng)力方向的光束， 且這兩束光將具有不同的折射率11 。折射率的差異導(dǎo)致兩分離出的光波有相對的相位延遲。而應(yīng)力光學(xué)定律正好給出了相對延遲的值的大?。?R = Ct(? ?) 式中 R 指的是相對延遲的量， C 是應(yīng)力光學(xué)系數(shù)， t 是試樣的厚度， ?是第一主應(yīng)力，?是第二主應(yīng)力。 這兩列波之后將聚集在一個偏振鏡裝置里。 因此可以通過研究其干涉圖樣來確定材料中不同位置的應(yīng)力狀態(tài)。 刻度盤是用來標(biāo)記材料的條紋值f?。亞克力模型的圓盤放置在圓形偏光鏡裝置中并受到壓力載荷。 圖 3 顯示了加載盤的干涉圖樣。記下各種情況下邊緣的負(fù)荷值。 使用公式f?= 8? ?= 11.15 式中 P= 特定邊緣的負(fù)載值大小 N= 邊緣負(fù)載處的條紋級序 D= 圓盤的直徑 = 7.01cm 圖圖 3 3. 鈉光下的應(yīng)力光彈性模式鈉光下的應(yīng)力光彈性模式 某點處的應(yīng)力大小可以通過此式計算：(? ?) 2= Nf? 式中?=最大主應(yīng)力， ?=最小主應(yīng)力，t=鉤子的厚度。 6.6.結(jié)論結(jié)論 對于起重機(jī)吊鉤的近視模型， 有限元分析中的應(yīng)力誘導(dǎo)參考了光彈性實驗。 對于亞克力起重機(jī)吊鉤模型的分析結(jié)果如下： ANSYS v/s 實驗 如圖 4 所示，從 ANSYS 中獲得的最大主應(yīng)力值是 12.35N mm?，實驗中獲取的最 （a） （b） 圖圖 4. 亞克力模型的應(yīng)力分布圖亞克力模型的應(yīng)力分布圖 （a）有限元分析有限元分析； （b）光彈性實驗光彈性實驗 大主應(yīng)力值是 11.121N mm?。不同的方式獲取的值非常相近，僅有 5.76%的誤差。 產(chǎn)生最終數(shù)值的差異可能是基于這樣的事實。 很難確切的知道平面靠近內(nèi)表面邊緣的應(yīng)力值因此 12.35 也不是完全準(zhǔn)確的。圖 5 顯示出了 ANSYS 軟件中分析得到的起重機(jī)吊鉤近似模型的最大應(yīng)力的位置。 上述的結(jié)果顯示出了有限元分析的準(zhǔn)確性， 這種方法完全適應(yīng)于對復(fù)雜和精確模型的研究。因此在第二階段的研究中，對起重機(jī)吊鉤進(jìn)行了精確地分析計算并用ANSYS 作了驗證。 7 7. .分析方法分析方法 起重機(jī)吊鉤是彎曲梁12 ，因此微小彎曲及直梁的簡單理論不能給出準(zhǔn)確的答案。應(yīng)力分布在這種深度的梁，受純彎曲，是非線性的（準(zhǔn)確的說，是雙曲線） ，中性面的位置也從質(zhì)心改變到其曲率中心。 如圖 6 所示的鉤子，組成部分并不狹長，但有一個急彎， 它的橫斷面尺寸比其曲率半徑還要大。 圖圖 5. 邊界變化邊界變化 圖圖 6. 彎梁及其截面面積彎梁及其截面面積 半徑處的應(yīng)變 r = 很明顯應(yīng)變在中性軸處為0而在梁的外半徑處有最大值。應(yīng)用關(guān)系式應(yīng)力/應(yīng)變=E，一般的應(yīng)力就容易得到了。 中性軸的位置是指在中性軸的整個區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力和面積的乘積為 0。 化簡為 因此 事實上壓力來源于彎矩， 在抵抗變形的瞬時，力臂、整個中性面以及dA的乘積的部分。最大應(yīng)力發(fā)生的內(nèi)外表面。 截面的形心是 因此 最大應(yīng)力產(chǎn)生在內(nèi)外表面， 內(nèi)表面的應(yīng)力： 外表面的應(yīng)力： 曲梁彎曲公式適用在當(dāng)梁滿足曲率與梁寬度比例在合理范圍的情況(r?h ) 5（矩形截面） 。隨著比例的增加，由曲梁公式以及一般梁公式計算出來的最大應(yīng)力的差異會減小。 上面的方程對純彎曲的情況是有效的。對于起重機(jī)吊鉤，彎矩的大小應(yīng)根據(jù)被考慮的截面一側(cè)作用力的大小確定。 假定計算區(qū)域的截面形狀為梯形13 。圖 7中所示的盈利大小即是在產(chǎn)生最大應(yīng)力的A-A 截面上計算得到的。 圖圖 7. 起重機(jī)吊鉤截面分析起重機(jī)吊鉤截面分析 8 8. .精確模型的有限元分析精確模型的有限元分析 圖 8 （a） 所示的起重機(jī)吊鉤的鍛造實體，為 ANSYS 中對吊鉤實體建模提供了參照。利用三坐標(biāo)測量機(jī)獲得鍛造實體的點云數(shù)據(jù)并在 PRO/E 軟件中建立其實體模型。之后將 PRO/E 中的吊鉤的實體模型導(dǎo)入ANSYS 軟件環(huán)境。按照之前討論的有限元分析的方法對吊鉤進(jìn)行有限元分析并獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)。圖 8（b）顯示了應(yīng)力的大小及分布的位置。 9 9. .結(jié)結(jié)果果 將第7節(jié)提到的通過分析計算得到的應(yīng)力與通過有限元分析得到的結(jié)果進(jìn)行分析對比。 （a） （b） 圖圖 8. （a）實際起重機(jī)吊鉤實際起重機(jī)吊鉤； （； （b）有限元分析得到有限元分析得到的應(yīng)力模型的應(yīng)力模型。 ANSYS v/s 分析 計算所獲得的最大應(yīng)力值= 12.35N/mm?， ANSYS 中 獲 得 的 最 大 應(yīng) 力 值= 13.372N/mm?。結(jié)果非常相近，僅有(13.372 12.35) 12.35= 8.26%的誤差。 產(chǎn)生誤差的原因可能有以下幾個方面：1） 實際計算中假定的是點載荷而在 ANSYS中載荷作用在一組節(jié)點上。2）截面的形狀 是不規(guī)則的四邊形。3）截面在變形之后無法保證是一個平面。 通過分析計算， 吊鉤上的應(yīng)力變化結(jié)果可通過圖 9 表示。 內(nèi)表面的最大拉應(yīng)力為150.72N/mm?，外表面的壓應(yīng)力為44.23N/mm?。如圖 9 所示，應(yīng)力的大小由最大值變?yōu)?0，再由 0 變?yōu)槟骋粋€確切的值。核心的幾點內(nèi)容是： ANSYS 中的最大應(yīng)力為135.46N/mm?；計算多的最大應(yīng)力為150.72N/mm?。 誤 差 是 (150.72 135.46) 135.46=10.12% 對于最外層為 A-A 截面： ANSYS 分析應(yīng)力為43.728N/mm?；計算所得應(yīng)力為44.23N/mm?。 誤 差 是 (44.23 43.728) 43.728=1.01% 圖圖 9. 實際模型中不同深度的應(yīng)力變化實際模型中不同深度的應(yīng)力變化 產(chǎn)生誤差的原因： 分析計算之前有很多假的的情況 （先前有過討論） 。 PRO/E 中建立的實體模型不可能和實際中的模型一模一樣。 1010. .結(jié)論結(jié)論 這次完整的研究創(chuàng)造性的運用了有限元分析來對分析測量出的應(yīng)力進(jìn)行了驗證。為了減少起重機(jī)吊鉤失效的概率， 準(zhǔn)確的了解吊鉤上的應(yīng)力大小盒分布是十分必要的。隨著新的設(shè)計的復(fù)雜話分析計算也將變得更加復(fù)雜。 對減少吊鉤失效的建議。 制造過程：優(yōu)先選用鍛件，起重機(jī)吊鉤鍛件的強(qiáng)度要明顯好于鑄件。 原因是澆鑄的液態(tài)金屬在凝固時，金屬內(nèi)部有殘余應(yīng)力，這將導(dǎo)致金屬晶體不均勻的形成。 因此吊鉤鑄件不能承受高強(qiáng)度的負(fù)載。 粒度： 壓力承載能力的大小取決于材料晶體的平均粒度， 也就是承載區(qū)域內(nèi)晶體的平均大小。 較小的晶粒尺寸能提高材料的承載能力。 所以建議鍛造過程中要有經(jīng)理細(xì)化的工序。 （a） （b） 圖圖 10.（a）去除材料后的吊鉤去除材料后的吊鉤； （； （b）去除材料后的去除材料后的吊鉤吊鉤 像焊接這樣的工序在吊鉤生產(chǎn)中應(yīng)該避免以防止其導(dǎo)致的應(yīng)力集中使吊鉤失效。 在吊鉤上去除材料增加了吊鉤上承載的應(yīng)力，因此方案不可行。這讓我們得出了以下的結(jié)論： 如圖 10（a）所示，可以明顯的看到從小應(yīng)力集中的區(qū)域去除材料雖然減少了材料的成本，但卻增加了吊鉤內(nèi)部的應(yīng)力。 圖 10（b）也讓我們認(rèn)識到吊鉤上如果有大量的材料去除時吊鉤上的應(yīng)力也會大量增加，這種做法也是不可行的。設(shè)計改進(jìn)措施： 在應(yīng)力分析的過程中我們已經(jīng)知道了最大應(yīng)力的區(qū)域。 如果最大應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在吊鉤內(nèi)側(cè)， 可以擴(kuò)大承載區(qū)域的大小來減低應(yīng)力。 分析證實如果吊鉤內(nèi)側(cè)厚度增加 3 毫米，應(yīng)力將減少17%。因此，可以再設(shè)計吊鉤的時候增加吊鉤內(nèi)側(cè)的厚度， 這樣的話失效的概率將顯著的降低。 1111. .參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 術(shù)語術(shù)語： = 正應(yīng)力； = 應(yīng)變；E = 彈性模量； A = 截面面積；e = 離心率；M = 彎矩； y = 距離中性軸的距離；c?=中性軸距外表面的距離；c?=中性軸到內(nèi)表面的距離； r =任意位置處的曲率半徑；r?=中性軸處的曲率半徑；r?=形心處的曲率半徑； r?=外表面的曲率半徑；r?=內(nèi)表面的曲率半徑。