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河北建筑工程學院
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課題
名稱
QTZ40塔式起重機——塔身的優(yōu)化設計
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 機091班
學生姓名： 李春驕
學 號： 2009307133
指導教師： 李常勝
課題來源
導師課題
課題類別
畢業(yè)論文
一、論文資料的準備
1. 塔式起重機的研究背景
二次世界大戰(zhàn)結束以后，由于許多國家夷為平地，龐大而艱巨的家園重建工作，要求建筑施工實現(xiàn)機械化，以加快建設進度。作為建筑機械化主導機械，塔式起重機得以應運而迅猛發(fā)展。
20世紀80年代隨著改革開放和國際技術交流增多，我國曾先后有原聯(lián)邦德國、法國、意大利、及丹麥引進了為數(shù)可觀的塔式起重機產(chǎn)品，特別是1984年由法國POTAIN公司引進的三種機型（H3/36B、FO/23B、GTMR360B）的生產(chǎn)許可證，極大地促進了我國塔式起重機產(chǎn)品設計制造技術的進步。通過消化吸收國外先進技術，對基礎部件，如電動機、電器、回轉支承、傳動機構及安全裝置等進行定點生產(chǎn)，一些生產(chǎn)主機的專業(yè)大廠還進行了相應的技術改造，增設鋼材預處理生產(chǎn)線，從而使國產(chǎn)塔式起重機的質(zhì)量迅速提高，一些主要機種已達到或接近國外同類產(chǎn)品質(zhì)量水平。
進入20世紀90年代以后，隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，城市房地產(chǎn)業(yè)得到高速發(fā)展，水利、電力、橋梁等大型工程不斷上馬，我國已成為世界塔式起重機主要需求市場之一，其性能要求也越來越高，使得國內(nèi)塔式起重機行業(yè)得到了高速發(fā)展。目前我國已成為世界塔式起重機生產(chǎn)大國，特別是近幾年來我國塔式起重機已經(jīng)批量出口國際市場，標志著我國塔式起重機生產(chǎn)的全面進步。然而，塔式起重機的理論設計工作近年來鮮有較大革新，一定程度上制約了我國塔式起重機行業(yè)的進一步發(fā)展。
無論國內(nèi)還是國外，塔式起重機在現(xiàn)代化建設中都有非常重要的地位。它是現(xiàn)代社會進步的一個標志，是人類建設不可缺少的重要設備，它的高效性、安全穩(wěn)定性是塔機行業(yè)較普遍關心和注意的問題。在塔機整體設計中應綜合考慮各相關參數(shù)，以人為本、安全第一的設計觀點來進行各項設計。
塔式起重機的塔身是塔機三大結構件之一，工作條件惡劣，荷載情況復雜，結構重量約占整機重量的1/4-1/5，支撐著塔機上部結構和起升載荷的重量，大多數(shù)塔身為空間桁架結構。塔身截面形式一般為正方形截面，主弦桿一般為角鋼、角鋼拼焊、方鋼管或圓鋼管。塔身腹桿一般為角鋼或無縫鋼管，有三角形、K字型等多種布置方式。腹桿體系的不同會影響塔身的扭轉剛度和彈性穩(wěn)定性。本設計以QTZ400塔式起重機為例，依據(jù)GB/T13752-92《塔式起重機設計規(guī)范》，通過研究、分析塔身的受力情況，保證塔式起重機的安全施工。
2. ANSYS軟件的發(fā)展狀況
“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，
到今天已廣泛應用于各種不同的工程之中，有限元思想的核心就是把實際結構離散化，假想地使實際的結構離散為有限數(shù)目個類似結構的個體，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果，從而代替對于具體復雜實際結構的求解。經(jīng)過離散化，應用有限元思想，可以解決很多實際復雜的工程問題，并在理論研究和工程應用兩方面都具有極其重要的實用價值。
1970年，美國著名力學專家、匹茲堡大學教授 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軟件不斷改進提高，性能也不斷增強，可靠性也不斷得到保證，在易用性和適應運行環(huán)境等其他方面也日趨完善，基本上完全能夠滿足當前用戶對于有限元分析軟件的要求。
ANSYS作為一個大型通用軟件，可以廣泛的應用于結構、流體、聲場、熱、禍合場、電磁場上面，其使用用戶能夠涵蓋機械、土木建筑、水利、生物、醫(yī)學、能源、航空航天和交通運輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)的不同領域，利用ANSYS軟件，能夠?qū)嶋H模型置于各種各樣不同的復雜實際工況之中，準確并合理的分析，優(yōu)化設計，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。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、結果后處理。
二、本課題的目的（重點及擬解決的關鍵問題）
本次畢業(yè)設計是對機械專業(yè)學生在畢業(yè)前的一次全面訓練，目的在于鞏固和擴大學生在校所學的基礎知識和專業(yè)知識，訓練學生綜合運用所學知識分析和解決問題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學生獨立工作能力和創(chuàng)新精神的最佳手段。畢業(yè)設計要求每個學生在工作過程中，要獨立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新、解決相關技術問題。通過畢業(yè)設計，使學生掌握塔式起重機的總體設計、塔身的設計、整體穩(wěn)定性計算等內(nèi)容，為今后步入社會、走上工作崗位打下良好的基礎。
隨著市場競爭的日益激烈，降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量及縮短產(chǎn)品開發(fā)周期已經(jīng)成為企業(yè)生存和發(fā)展的關鍵。塔式起重機尤其是大噸位的塔機，其施工高度高，塔身成本占總成本的比重較大，通過塔身的結構優(yōu)化，降低塔身重量是降低塔式起重機成本的關鍵之一。
傳統(tǒng)的設計方法，一般是根據(jù)經(jīng)驗選定塔身的截面尺寸、主弦桿和腹桿的截面面積以及節(jié)距等參數(shù)，然后進行校核，這樣設計的塔身, 結構自重偏大，材料的利用率低， 成本高，經(jīng)濟效益不好。
塔機結構現(xiàn)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)設計到現(xiàn)代設計方法的過程。傳統(tǒng)設計計算復雜、耗時，不利于在激烈市場競爭中縮短設計周期，提高設計質(zhì)量。計算機輔助設計、優(yōu)化設計和有限元法等現(xiàn)代設計方法受到塔機科技人員越來越廣泛的重視。
塔身是塔式吊車的重要組成部分,利用大型有限元軟件ANSYS對QTZ40塔式起重機塔身進行工作及非工作狀態(tài)分析計算，得到了塔身工作及非工作狀態(tài)總位移分布云圖、各種狀態(tài)下塔身當量應力分布云圖；根據(jù)分析結果對其結構進行了優(yōu)化設計，有效控制了可能出現(xiàn)的危險，增強了設備的安全性。
三、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路
塔身結構也稱塔架，是塔式起重機結構的主體。塔身受力情況十分復雜，在不同載荷作用下產(chǎn)生位移和變形，所受載荷主要有塔機吊重及上部結構自重產(chǎn)生的垂直力，上部結構和吊重產(chǎn)生的彎矩，吊臂回轉引起的扭矩，及整個塔身受到的風載等，并且在工作過程中吊臂的旋轉也會使塔身受力的狀態(tài)發(fā)生變化，以上多種因素都可使塔身發(fā)生斷裂危險，因此，利用有限元法對QTZ40塔式起重機塔身工作及非工作狀態(tài)進行分析，對塔式起重機塔身結構改進有一定的指導意義。
（1） 設計任務：
①總體參數(shù)的選擇（QTZ40級別） ②結構形式
（2） 總體設計
①主要技術參數(shù)性能 ②設計原則 ③平衡重的計算 ④塔機的風力計算 ⑤整機傾翻穩(wěn)定性的計算
（3） 塔身的設計和計算
①塔身的形式及尺寸 ②設計塔身的強度、穩(wěn)定性及剛度驗算 ③聯(lián)接套焊縫強度的計算 ④高強度螺栓強度的計算 ⑤塔身腹肝的計算
四、總體安排和進度（包括階段性工作內(nèi)容及完成日期）
起迄日期 工作內(nèi)容
2013.28-2013.4.10 方案選擇及總體設計
2013.4.11-2013.4.17 繪制總圖
2013.4.18-2013.5.15 塔身設計
2013.5.16-2013.6.5 繪制塔身裝配及結構圖紙
2013.6.6-2013.6.19 繪制零件圖紙
2013.6.20-2013.6.23 準備論文及答辯
五、主要參考文獻
[1] 哈爾濱建筑工程學院主編.工程起重機.北京：中國建筑工業(yè)出版社
[2] 董剛、李建功主編.機械設計.機械工業(yè)出版社
[3] 機械設計手冊.化學工業(yè)出版社（5冊）
[4] GB/T9462—1999 塔式起重機技術條件
[5] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范
[6] GB5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程
[7] 邢靜忠．ANSYS應用實例與分析．科學出版社．2006．
[8] 劉坤．ANSYS有限元方法精解．國防工業(yè)出版社．2005．
[9]GB/T9462—1999 塔式起重機設計條件．
[10] GB/T13752—1992 塔式起重機設計規(guī)范．
[11] GB/T5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程
[12]劉鴻文．材料力學．北京：高等教育出版社．2002．
[13]李柱，徐振高．互換性與測量技術．北京：高等教育出版社．2002．
[14] 張東升．機械零件及建筑機械．重慶：重慶大學出版社.2003．
[15] 現(xiàn)行建筑機械規(guī)范大全．北京：中國建筑工業(yè)出版社.1995．
指導教師意見：
指導教師簽名： 日期：
教研室意見：
教研室主任簽名： 日期：
系意見：
系領導簽名： 日期：
系蓋章
課題來源：導師課題、社會實踐、自選、其他
課題類別：工程設計、施工技術、新品開發(fā)、軟件開發(fā)、科學實驗、畢業(yè)論文。