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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塔式起重機總體及塔身
有限元分析法設(shè)計
系 別： 機械工程系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級： 機095
學(xué)生姓名： 王龍飛
學(xué) 號： 2011407526
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
(一) 塔式起重機概述
塔式起重機是一種塔身樹立起重臂回轉(zhuǎn)的起重機械，簡稱塔機，也叫塔吊，起源于西歐。具有工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度大、操作方便以及安裝與拆卸比較簡便等特點。主要完成在高層建筑施工中預(yù)制構(gòu)件及其他建筑材料與工具等吊裝工作。塔式起重機必須具備下列特點：
① 起升高度和工作幅度較大、起重力矩大；
② 工作速度高，具有安裝微動性能及良好的調(diào)速性能；
③ 要求拆裝運輸方便迅速，以適應(yīng)頻繁轉(zhuǎn)移工地的需要。
(二) 國外塔式起重機的發(fā)展現(xiàn)狀
二次世界大戰(zhàn)結(jié)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(shè)進(jìn)度。作為建筑機械化主導(dǎo)機械，塔式起重機得以應(yīng)運而迅猛發(fā)展。近些年來隨著機械工業(yè)的進(jìn)步塔式起重機又有了新的發(fā)展趨勢。
① 組合塔機或稱模塊塔機：所謂組合塔機，就是以塔身結(jié)構(gòu)為核心，按結(jié)構(gòu)和功能特點，將塔機分解為若干部分，并依據(jù)系列化和通用化要求，遵循模數(shù)制原理將各部分劃分并設(shè)計成若干模塊。根據(jù)參數(shù)要求，選用適當(dāng)模塊分別組成具有不同技術(shù)性能特點的塔機，以滿足施工的具體要求。
② 一些超重型塔機相繼問世：近年來由于大功率電站、高壩、近海石油鉆井平臺、天然氣鉆井平臺以及石油化工業(yè)發(fā)展的需要，對重型和超重型塔機提出了更多更高的要求。如今，幅度70～90m、最大起重量50～60t、起升高度100～300m的塔機已非罕見。
③ 適應(yīng)都市改建需要的城市塔機應(yīng)運而生，并得到發(fā)展，其特點是：采用短平衡臂、可在4m×4m～6m×6m尺寸范圍內(nèi)進(jìn)行X形底架、運輸方便快捷、安裝架設(shè)速度快、采用較完善的調(diào)速、操縱系統(tǒng)和電子儀表。
(三) 我國塔式起重機的發(fā)展趨勢
我國大規(guī)模經(jīng)濟建設(shè)已有二十來年的歷史，這二十來年里，大量建筑物的涌現(xiàn)和大型工程的興建，鐵路、公路橋梁的建設(shè)，給塔式起重機提供了良好的市場。我國的塔式起重機發(fā)展趨勢可以分以下幾個方面：
1 我國塔機產(chǎn)品的品種、型號、規(guī)格應(yīng)向多樣化發(fā)展，以適應(yīng)不同工程、不同用戶的需求。
2 適當(dāng)發(fā)展動臂式自升塔機和折曲式兩用臂架自升塔機的生產(chǎn)，以適應(yīng)塔機出口市場和國內(nèi)大中型城市內(nèi)某些特定工程和鋼結(jié)構(gòu)高層建筑施工的需要。
3 更多的采用組裝式結(jié)構(gòu)，做到產(chǎn)品系列化，部件模數(shù)化，以不同模數(shù)塔身、臂架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組合成的變斷面塔身和臂架，這不僅能提高塔身、臂架的力學(xué)性能，減輕塔式起重機自重，而且可明顯減少使用單位塔架、臂架的儲備量，為單位節(jié)約成本。便于產(chǎn)品更新?lián)Q代，簡化設(shè)計制造，提高塔機使用的經(jīng)濟效益。
(四) QTZ40塔式起重機概述
QTZ40塔式起重機為按照最新標(biāo)準(zhǔn)JG/T5037-93《塔式起重機分類》設(shè)計的加強型塔式起重機。額定起重力矩40tm，最大起重量為4t。該機以基本高度30m供貨，用戶若需高層附著施工只需向廠方提出另行供貨要求，即可增加某些部件實現(xiàn)本機的最大設(shè)計高度100m,也就是附著高層施工可建高樓32層以上。
(五) ANSYS軟件的發(fā)展?fàn)顩r
“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(yīng)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(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，可靠性也不斷得到保證，在易用性和適應(yīng)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(dāng)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(yīng)用于結(jié)構(gòu)、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(xué)、能源、航空航天和交通運輸?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。
二、本課題的目的（重點及創(chuàng)新點）
本次畢業(yè)設(shè)計是對機械專業(yè)學(xué)生在畢業(yè)前的一次全面訓(xùn)練，目的在于鞏固和擴大學(xué)生在校所學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，訓(xùn)練學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析和解決問題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生獨立工作能力和創(chuàng)新精神的最佳手段。畢業(yè)設(shè)計要求每個學(xué)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(guān)技術(shù)問題。通過畢業(yè)設(shè)計，使學(xué)生掌握塔式起重機的總體設(shè)計、塔身的設(shè)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(chǔ)。
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(guān)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(jié)構(gòu)優(yōu)化，降低塔身重量是降低塔式起重機成本的關(guān)鍵之一。
傳統(tǒng)的設(shè)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(jìn)行校核，這樣設(shè)計的塔身, 結(jié)構(gòu)自重偏大，材料的利用率低， 成本高，經(jīng)濟效益不好。
塔機結(jié)構(gòu)現(xiàn)正經(jīng)歷從傳統(tǒng)設(shè)計到現(xiàn)代設(shè)計方法的過程。傳統(tǒng)設(shè)計計算復(fù)雜、耗時，不利于在激烈市場競爭中縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。計算機輔助設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計和有限元法等現(xiàn)代設(shè)計方法受到塔機科技人員越來越廣泛的重視。
塔身是塔式起重機的重要組成部分,利用大型有限元軟件ANSYS對QTZ40塔式起重機塔身進(jìn)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(dāng)量應(yīng)力分布云圖；根據(jù)分析結(jié)果對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析法設(shè)計，有效控制了可能出現(xiàn)的危險，增強了設(shè)備的安全性。
三、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路
(一) 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塔機的風(fēng)力計算 ⑤整機傾翻穩(wěn)定性的計算
（3） 塔身的設(shè)計和計算
①塔身的結(jié)構(gòu)形式及尺寸 ②塔身的設(shè)計和有限元分析及計算
(二) 研究方法
①類比法：參考國內(nèi)同類型塔式起重機設(shè)計；
②有限元分析法：利用有限元分析軟件對塔身進(jìn)行設(shè)計計算。
(三) 研究思路
在畢業(yè)設(shè)計時,當(dāng)我們收到設(shè)計任務(wù)書時首先對研究對象進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查, 收集國內(nèi)外有關(guān)資料并通過對資料的調(diào)研、加工與整理了解國內(nèi)外的使用、生產(chǎn)、設(shè)計和科研情況，并進(jìn)行分析比較，制定設(shè)計原則。設(shè)計原則應(yīng)當(dāng)保證所設(shè)計的機型符合有關(guān)的方針政策。
在畢業(yè)設(shè)計工作中，通過掌握正確的設(shè)計思想，綜合運用多學(xué)科的理論、知識與技能在認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)下分析并解決設(shè)計中遇到的問題。先通過整體參數(shù)的計算來確定塔式起重機的設(shè)計方案，同時了解不同塔式起重機結(jié)構(gòu)的差別。再逐步確定各個裝置的結(jié)構(gòu)及具體尺寸，也應(yīng)參考同類機型的設(shè)計，來確定本次塔式起重機整體設(shè)計的最終結(jié)構(gòu)及尺寸，最后運用有限元分析法對塔式起重機的塔身進(jìn)行計算和分析。
四、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 塔身設(shè)計
2013.5.16-2013.6.5 繪制塔身裝配及結(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
五、主要參考文獻(xiàn)
[1] 哈爾濱建筑工程學(xué)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(shè)計.機械工業(yè)出版社
[3] 機械設(shè)計手冊.化學(xué)工業(yè)出版社（5冊）
[4] GB/T9462—1999 塔式起重機技術(shù)條件
[5] GB/T13752—1992 塔式起重機設(shè)計規(guī)范
[6] GB5144—1994 塔式起重機安全規(guī)程
[7] 邢靜忠．ANSYS應(yīng)用實例與分析．科學(xué)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(shè)計條件．
[10] GB/T13752—1992 塔式起重機設(shè)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(xué)．北京：高等教育出版社．2002．
[13]李柱，徐振高．互換性與測量技術(shù)．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(xué)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(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
課題來源：導(dǎo)師課題、社會實踐、自選、其他
課題類別：工程設(shè)計、施工技術(shù)、新品開發(fā)、軟件開發(fā)、科學(xué)實驗、畢業(yè)論文。