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導(dǎo)師課題
課題類別
工程設(shè)計(jì)
（一）塔式起重機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
塔式起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑的重要施工機(jī)械之一。在高層建筑施工中，它的幅度利用度比其他類型起重機(jī)高。塔機(jī)由于能靠近建筑物，其幅度利用率可達(dá)整體幅度的80％。塔式起重機(jī)的變幅及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)重物在垂直方向和水平方向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，所以可以擴(kuò)大起重機(jī)的工作范圍，提高生產(chǎn)率。應(yīng)用塔機(jī)對(duì)于加快施工速度、縮短工期、降低工程造價(jià)能夠起到重要作用。塔式起重機(jī)已經(jīng)成為建筑工程業(yè)必要的技術(shù)裝備，成為衡量建筑工程業(yè)生產(chǎn)力水平高下的重要標(biāo)志之一，成為加快工程建設(shè)、確保工程整體質(zhì)量、降低工程造價(jià)、提高社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。
塔機(jī)是在第二次世界大戰(zhàn)后才真正獲得發(fā)展的。戰(zhàn)后各國(guó)面臨著重建家園的艱巨任務(wù)，浩大的建筑工程量迫切需要大量性能良好的塔式起重機(jī)。自塔式起重機(jī)在建筑施工中顯露身手并逐漸成為工程機(jī)械一個(gè)重要分支以來(lái)，已經(jīng)有50余年歷史，其間利經(jīng)了曲折復(fù)雜的發(fā)展階段。70年代末，由于種種原因，國(guó)外塔式起重機(jī)制造業(yè)陷入了低谷，不少中小工廠紛紛停業(yè)或轉(zhuǎn)產(chǎn)，僅少數(shù)大廠得以維持。直至80年代末才呈現(xiàn)逐漸復(fù)蘇態(tài)勢(shì)，1994年為復(fù)蘇年頭，復(fù)蘇勢(shì)頭最好的國(guó)家為德國(guó)。據(jù)有關(guān)資料介紹，在塔機(jī)制造業(yè)鼎盛的70年代，西德?lián)碛懈魇剿C(jī)48500臺(tái)，80年代總量減至1/3，而近幾年，東西德合并，基建規(guī)模擴(kuò)大，塔機(jī)產(chǎn)量上升，現(xiàn)有塔機(jī)近40000臺(tái)，其中半數(shù)機(jī)齡不足5年。
我國(guó)的塔機(jī)行業(yè)于20世紀(jì)50年代開始起步,相對(duì)于中西歐國(guó)家由于建筑業(yè)疲軟造成的塔機(jī)業(yè)的不景氣, 我國(guó)的塔機(jī)業(yè)正處于一個(gè)迅速的發(fā)展時(shí)期。到20世紀(jì)90年代以后，塔式起重機(jī)行業(yè)隨著行業(yè)建筑任務(wù)的增加而進(jìn)入了新興時(shí)期，年產(chǎn)量連年猛增，而且也有部分產(chǎn)品出口到了國(guó)外。全國(guó)塔式起重機(jī)的擁有總量也從20世紀(jì)50年代的幾十臺(tái)到2000年的60000臺(tái)左右。至此，無(wú)論從生產(chǎn)規(guī)模、應(yīng)用范圍、塔式起重機(jī)總量等各個(gè)角度來(lái)衡量，我國(guó)都可以稱為塔式起重機(jī)大國(guó)。
從塔機(jī)的技術(shù)發(fā)展方面來(lái)看，雖然新的產(chǎn)品層出不窮，新產(chǎn)品在生產(chǎn)效能、操作簡(jiǎn)便、保養(yǎng)容易和運(yùn)行可靠方面均有提高，但是塔機(jī)的技術(shù)并無(wú)根本性的改變。塔機(jī)的研究正向著組合式發(fā)展。所謂的組合式，就是以塔身結(jié)構(gòu)為核心，按結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，將塔身分解成若干部分，并依據(jù)系列化和通用化要求，遵循模數(shù)制原理再將各部分劃分成若干模塊。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)性能特征的塔機(jī)，以滿足施工的具體需求。推行組合式的塔機(jī)有助于加快塔機(jī)產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用，并能更好的為客戶服務(wù)。
當(dāng)前塔機(jī)的發(fā)展具有如下一些特點(diǎn)和趨勢(shì)：
1、吊臂長(zhǎng)度加長(zhǎng)
在六十年代初，吊臂長(zhǎng)度超過(guò)40m的較少，七十年代吊臂長(zhǎng)度已能做到70m，快速拆裝下回轉(zhuǎn)塔式起重機(jī)的吊臂長(zhǎng)度可達(dá)35m。自升式塔式起重機(jī)吊臂是可以接長(zhǎng)的，標(biāo)準(zhǔn)臂長(zhǎng)一般為30—45m，可以接長(zhǎng)到50—60m。重型塔式起重機(jī)吊臂則更長(zhǎng)。吊臂加長(zhǎng)可帶來(lái)更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。隨著塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)水平的提高，能解決由臂長(zhǎng)加大帶來(lái)的一些技術(shù)問(wèn)題(如安裝和運(yùn)輸問(wèn)題)。低合金高強(qiáng)度鋼材及鋁合金的廣泛采用亦為加長(zhǎng)吊臂提供了非常有利的條件。
2、工作速度提高，且能調(diào)速
由于調(diào)速技術(shù)的進(jìn)步，滑輪組倍率可變，雙速、三速電動(dòng)機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的應(yīng)
用，使塔式起重機(jī)工作速度在逐漸提高。起升機(jī)構(gòu)普遍做到至少具有3種工作速度，重物起升速度超過(guò)100m／min者也很多。構(gòu)件安裝就位速度可在0---10m／min范圍內(nèi)進(jìn)行選擇?；剞D(zhuǎn)速度一般可在0---1r／min之間進(jìn)行調(diào)節(jié)。小車牽引和塔式起重機(jī)行走大多也有2-3種工作速度，小車牽引速度最快可達(dá)60m／min。
3、改善操縱條件
隨著塔式起重機(jī)向大型、大高度方向發(fā)展，操縱人員的能見度愈來(lái)愈差。因此需要
在吊臂端部(動(dòng)臂變幅)或小車上(小車變幅)安裝電視攝象機(jī)，在操作室利用電視進(jìn)行操作。有的還采用了雙頻道的無(wú)線電遙控系統(tǒng)，不但可由地面的操作人員控制吊裝；還可根據(jù)事先編排的程序自動(dòng)進(jìn)行吊裝。
4、更多地采用組裝式結(jié)構(gòu)
為了便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造、使用與管理，提高塔式起重機(jī)使用的經(jīng)
濟(jì)效益，國(guó)外塔式起重機(jī)專業(yè)廠已做到產(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)組合成變截面塔身和臂架，不僅能提高塔身、臂架的力學(xué)性能，減輕塔式起重
機(jī)自重，而且可明顯減少使用單位塔架，臂架的儲(chǔ)備量，為降低成本，簡(jiǎn)化管理創(chuàng)造了
條件。
（二）ANSYS介紹
有限單元法是隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。它是50年代首先在連續(xù)體力學(xué)領(lǐng)域--飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)態(tài)特性分析中應(yīng)用的一種有效的數(shù)值分析方法，隨后很快廣泛的應(yīng)用于求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。有限元思想的核心就是把實(shí)際結(jié)構(gòu)離散化，假想地使實(shí)際的結(jié)構(gòu)離散為有限數(shù)目個(gè)類似結(jié)構(gòu)的個(gè)體，然后通過(guò)分析這些有限個(gè)體的性能來(lái)求出滿足實(shí)際工程要求的計(jì)算結(jié)果，從而代替對(duì)于具體復(fù)雜實(shí)際結(jié)構(gòu)的求解。經(jīng)過(guò)離散化，應(yīng)用有限元思想，可以解決很多實(shí)際復(fù)雜的工程問(wèn)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(shí)用價(jià)值。
ANSYS作為一個(gè)大型通用軟件，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)、流體、聲場(chǎng)、熱、耦合場(chǎng)、電磁場(chǎng)上面，利用ANSYS軟件，能夠?qū)?shí)際模型置于各種各樣不同的復(fù)雜實(shí)際工況之中，準(zhǔn)確并合理的分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少實(shí)際試驗(yàn)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?yàn)樘岣呃麧?rùn)做出貢獻(xiàn)。使用ANSYS軟件分析，包含以下幾個(gè)過(guò)程：建立模型、劃分網(wǎng)格、加載和求解、結(jié)果后處理。若在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中想對(duì)其中的某一個(gè)步驟進(jìn)行改動(dòng)和變化，則依然需要重新完成其中的每一個(gè)步驟，無(wú)形中浪費(fèi)了太多的工作時(shí)間。針對(duì)現(xiàn)實(shí)情況，ANSYS提供了APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)處理類似問(wèn)題，通過(guò)APDL語(yǔ)言及UIDL語(yǔ)言或類似VB、VC編程語(yǔ)言開發(fā)應(yīng)用界面，即可完成在ANSYS中的二次開發(fā)。
二、本課題的目的（重點(diǎn)及擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題）
畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)機(jī)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(kuò)大學(xué)生在校所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，訓(xùn)練學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決問(wèn)題的能力。是培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生獨(dú)立工作能力和創(chuàng)新精神之最佳手段。畢業(yè)設(shè)計(jì)要求每個(gè)學(xué)生在工作過(guò)程中，要獨(dú)立思考，刻苦鉆研，有所創(chuàng)新、解決相關(guān)技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握塔式起重機(jī)的總體設(shè)計(jì)、吊臂的設(shè)計(jì)、整體穩(wěn)定性計(jì)算等內(nèi)容，為今后步入社會(huì)、走向工作崗位打下良好的基礎(chǔ)。
塔機(jī)臂架作為塔機(jī)的工作裝置,在塔機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)內(nèi)容中處于核心地位, 采用有限元分析的方法進(jìn)行塔機(jī)臂架的設(shè)計(jì)計(jì)算將會(huì)極大地提高設(shè)計(jì)效率、保證其設(shè)計(jì)質(zhì)量。我們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(shí)地反映機(jī)械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過(guò)程,并進(jìn)行各種類型的力學(xué)分析,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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。
三、主要內(nèi)容、研究方法、研究思路
1、主要內(nèi)容
（1） 設(shè)計(jì)任務(wù)：
① 總體參數(shù)的選擇（QTZ40級(jí)別）
② 結(jié)構(gòu)形式
（2） 總體設(shè)計(jì)
① 主要技術(shù)參數(shù)性能
② 設(shè)計(jì)原則
③ 平衡重的計(jì)算
④ 塔機(jī)的風(fēng)力計(jì)算
⑤ 整機(jī)傾翻穩(wěn)定性的計(jì)算
（3） 吊臂的設(shè)計(jì)和計(jì)算
① 吊臂的形式及尺寸（變截面）（雙吊點(diǎn)）
② 吊臂的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及剛度驗(yàn)算
（4） 設(shè)計(jì)要求
① 主要任務(wù)：學(xué)生應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨(dú)立完成一項(xiàng)給定的設(shè)計(jì)任務(wù)，編寫符合要求的設(shè)計(jì)說(shuō)明書，并正確繪制機(jī)械與電氣工程圖紙，獨(dú)立撰寫一份畢業(yè)論文，并繪制有關(guān)圖表。
② 知識(shí)要求：學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)綜合運(yùn)用多學(xué)科的理論、知識(shí)與技能，分析與解決工程問(wèn)題。通過(guò)學(xué)習(xí)、鉆研與實(shí)踐，深化理論認(rèn)識(shí)、擴(kuò)展知識(shí)領(lǐng)域、延伸專業(yè)技能。
③ 能力培養(yǎng)要求：學(xué)生應(yīng)學(xué)會(huì)依據(jù)技術(shù)課題任務(wù)，完成資料的調(diào)研、收集、加工與整理，正確使用工具書；培養(yǎng)學(xué)生掌握有關(guān)工程設(shè)計(jì)的程序、方法與技術(shù)規(guī)范，提高工程設(shè)計(jì)計(jì)算、圖紙繪制、編寫技術(shù)文件的能力；培養(yǎng)學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)、測(cè)試等科學(xué)研究的基本方法；鍛煉學(xué)生分析與解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力。
④ 綜合素質(zhì)要求：通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)生應(yīng)掌握正確的設(shè)計(jì)思想；培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)；在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)能樹立正確的生產(chǎn)觀、經(jīng)濟(jì)觀與全局觀。
⑤ 設(shè)計(jì)成果要求：
凡給定的設(shè)計(jì)內(nèi)容，包括說(shuō)明書、計(jì)算書、圖紙等必須完整，不得有未完的部分，不應(yīng)出現(xiàn)缺頁(yè)、少圖紙現(xiàn)象。
1） 對(duì)設(shè)計(jì)的全部?jī)?nèi)容，包括設(shè)計(jì)計(jì)算、機(jī)械構(gòu)造、工作原理、整機(jī)布置等，均有清晰的了解。對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程、計(jì)算步驟有明確的概念，能用圖紙完整的表達(dá)機(jī)械結(jié)構(gòu)與工藝要求，有比較熟練的認(rèn)識(shí)圖紙能力。對(duì)運(yùn)輸、安裝、使用等也有一定了解。
2） 說(shuō)明書、計(jì)算書內(nèi)容要精練，表述要清楚，取材合理，取值合適，設(shè)計(jì)計(jì)算步驟正確，數(shù)學(xué)計(jì)算準(zhǔn)確，各項(xiàng)說(shuō)明要有依據(jù)，插圖、表格及字跡均應(yīng)工整、清楚、不得隨意涂改。制圖要符合機(jī)械機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)，且清潔整齊。
3） 對(duì)國(guó)內(nèi)外塔式起重機(jī)情況有一般的了解，對(duì)各種塔式起重機(jī)有一定的分析、比較能力。
2、 研究方法
（1）資料的準(zhǔn)備
通過(guò)上網(wǎng)和畢業(yè)實(shí)習(xí)，搜集同類已研發(fā)產(chǎn)品相關(guān)資料，了解國(guó)內(nèi)外塔式起重機(jī)總體設(shè)計(jì)和起升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的已研發(fā)的產(chǎn)品，借鑒這些產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路為自己的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。了解所做設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)部件的相關(guān)信息，為以后設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)，在設(shè)計(jì)中確定個(gè)關(guān)節(jié)的合理尺寸和形狀。整體和各個(gè)部件的形狀和尺寸確定后，用二維作圖工具（autoCAD等）繪制出各主要部件的圖形圖和總裝圖。明確產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)尺寸和形狀。
3、 研究思路
伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造都離不開有限元分析(Finite ElementAnalysis, FEA)計(jì)算,在工程設(shè)計(jì)和分析中受到越來(lái)越廣泛的重視,其計(jì)算結(jié)果不僅詳盡,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(jì)計(jì)算將會(huì)極大提高設(shè)計(jì)效率、保證其設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)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(shí)地反映機(jī)械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過(guò)程,并進(jìn)行各種類型的力學(xué)分析,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)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)用有限元軟件對(duì)塔機(jī)總體及臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速校核分析。
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(jì)
2013.4.14-2013.4.20 繪制總圖
2013.4.21-2013.5.15 臂架設(shè)計(jì)
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)
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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