戴長奇開題報告515.doc

畢業(yè)設(shè)計開題報告題 目：QTZ40塔機(jī)動態(tài)性能分析院 （部）： 機(jī)電工程學(xué)院專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化班 級： 機(jī)械075姓 名： 戴長奇學(xué) 號： 2007072305指導(dǎo)教師： 宋世軍完成日期： 2011年5月2日山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文開題報告班級：機(jī)本07機(jī)械設(shè)計方向 姓名：戴長奇論文題目QTZ40塔機(jī)動態(tài)性能分析一、選題背景和意義：隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械動力結(jié)構(gòu)向大型化、復(fù)雜化、高速化發(fā)展的趨勢越來越明顯，由此引起的機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動問題也變得日益突出。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)振動問題的分析非常復(fù)雜，所以以往有關(guān)的研究多局限在小型結(jié)構(gòu)方面。20世紀(jì)60年代以來，伴隨著以有限元為核心的計算理論和技術(shù)的發(fā)展以及電子計算機(jī)的問世，產(chǎn)生了計算結(jié)構(gòu)動力學(xué)，使得對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力分析成為可能?，F(xiàn)代設(shè)計方法對于機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計要求：從簡單的類比設(shè)計發(fā)展到計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計，從靜態(tài)設(shè)計發(fā)展到動態(tài)設(shè)計，從常規(guī)設(shè)計發(fā)展到可靠性設(shè)計。特別表現(xiàn)在大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，從開始時采用靜態(tài)設(shè)計，己發(fā)展到現(xiàn)在廣泛采用的動態(tài)設(shè)計領(lǐng)域方面。1、塔式起重機(jī)發(fā)展：塔式起重機(jī)簡稱塔機(jī)，亦稱塔吊，起源于西歐。據(jù)記載，第一項(xiàng)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。塔式起重機(jī)是我們建筑機(jī)械的關(guān)鍵設(shè)備，在建筑施工中起著重要作用，我們只用了五十年時間走完了國外發(fā)達(dá)國家上百年塔機(jī)發(fā)展的路程，如今已達(dá)到發(fā)達(dá)國家九十年代水平并躋身于當(dāng)代國際市場。五十年代初，我國塔機(jī)的仿制開始起步生產(chǎn)的是一些小型塔機(jī)，六十年代自行設(shè)計制造了25TM、40TM、60TM、160TM四種機(jī)型，多以擺臂為主；七十年代，隨著高層建筑發(fā)展，對施工機(jī)械提出了新的要求。于是，160TM附著式、45TM內(nèi)爬式、120TM自升式等都由我國自己設(shè)計并制造；八十年代，國家建設(shè)突飛猛進(jìn)，建筑用最大的250TM塔機(jī)也應(yīng)運(yùn)而生。特別是1984年，首先在北京建工集團(tuán)建機(jī)廠引進(jìn)世界先進(jìn)的法國POTAIN（波坦）公司技術(shù)并于次年成功試制了FO/23B塔機(jī)，這可以說是我國塔機(jī)發(fā)展史的里程碑，它大大縮缺了我國與國外的差距，使我國塔機(jī)發(fā)展步入快行道。通過消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)，我國自行研制的QTZ80、QTZ120兩種機(jī)型已達(dá)到國外八十年代同類產(chǎn)品的水平；進(jìn)入九十年代，現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加快，國內(nèi)外市場對塔機(jī)要求越來越高，眾多城市大型建筑、水利、電力、橋梁等不斷增加，市場的要求加快了新產(chǎn)品開發(fā)的力度，先后有400TM、900TM水平臂和300TM動臂式塔機(jī)，主要性能達(dá)到了國外九十年代水平，這一系列的塔機(jī)的開發(fā)不但填補(bǔ)了國內(nèi)空白，而且替代和減少了大型塔機(jī)的進(jìn)口數(shù)量。綜觀50年發(fā)展史，我國塔機(jī)行業(yè)從無到有，從小到大，逐步形成了較為完整的體系，我國增幅最快的新興行業(yè)之一，特別是改革開放以來，塔機(jī)行業(yè)在設(shè)計、制造、管理和市場開拓等方面已形成一套較為健全的機(jī)制，以目前我國300余家生產(chǎn)塔機(jī)廠家為計，取得生產(chǎn)許可證的達(dá)100余家。2、ADAMS發(fā)展及應(yīng)用目前，A DAM S廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車制造、造船、機(jī)器及其它多種工業(yè)機(jī)械，并取得了很好的社會經(jīng)濟(jì)效益。世界最先進(jìn)的裝機(jī)械制造商Pure- Pak的工程師們利用ADAMS成功的設(shè)計并試驗(yàn)飲料加注系統(tǒng)的單向閥;美國航空航天局(NASA)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)成功地實(shí)現(xiàn)了火星探測器“探路號”在火星上的軟著陸，JPL工程師利用ADAM S等虛擬樣機(jī)技術(shù)仿真研究了宇畝飛船在不同階段的工作過程。我國航天部上海航天局第805研究所利用ADAMS,完成了國家高技術(shù)項(xiàng)目“空間站兩自由度大而積柔性太陽池陣”動力學(xué)仿真研究。 在我國，自從北京吉普汽車公司曾經(jīng)利用ADAM DS成功開發(fā)了BJ2022二代車型。ADAM S軟件更廣泛的應(yīng)用于復(fù)雜機(jī)構(gòu)或復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的研究，比如汽車的幾乎所有總成、多級輪系、并聯(lián)機(jī)床、電梯、起重機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。這些研究采用的方法大多是在建立了系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上利用A DAM S的仿真分析功能對系統(tǒng)的動力學(xué)進(jìn)行分析。應(yīng)用ADAM S對機(jī)械系統(tǒng)分析能夠?qū)?fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真，并對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，效果很好。3、Ansys發(fā)展及應(yīng)用1965年“有限元”這個名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計制造都已離不開有限元分析計算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器，國防軍工，船舶，鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用已使設(shè)計水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。 有限元法的理論和方法己經(jīng)比較成熱，出現(xiàn)了大量的應(yīng)用軟件。例如，國外的商品化大型通用有限元軟件有ANSYS，MSC/NASTRAN,SAP,ADINA,ASKA,SAFE,COMOSWORKS,PRO/MECHANICA,PATRAN,COLDFLOW等;我國自習(xí)研制的有FEPS，DDJ-W，紫瑞CEA等。這些軟件具有豐富的單元庫、材料特性庫，有較強(qiáng)的載荷、邊界條件處理能力，應(yīng)用這些成熟的軟件，可以大大減輕用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型以及分析和評價計算結(jié)果的工作量，提高下作效率。日前，三維實(shí)體設(shè)計己廣泛應(yīng)用在機(jī)械工程各部門，在工程起重機(jī)行業(yè)應(yīng)用也比較普遍，但基木上是停留在CAD、CAE、CAM各分系統(tǒng)獨(dú)立應(yīng)用的狀態(tài)上，與世.界工業(yè)先進(jìn)國家相比有較大的差距，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化進(jìn)程的推進(jìn)，必然帶來對塔式起重機(jī)的設(shè)計制作周期、設(shè)計質(zhì)量、產(chǎn)品成本的激烈競爭。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。也是迄今為止世界范圍內(nèi)唯一通過ISO90001質(zhì)量管理體.系認(rèn)證的分析設(shè)計軟件。二、課題關(guān)鍵問題及難點(diǎn)：自二十世紀(jì)以來，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)進(jìn)入到了一個嶄新的階段。現(xiàn)代設(shè)計方法手段的采用和以人為本設(shè)計理念的引入，使人們對機(jī)械產(chǎn)品的要求，不僅僅滿足于它所具有的某種可用性，更多的是關(guān)注于其是否具有一定的舒適性、經(jīng)濟(jì)性和安全性等諸多方面。本課題關(guān)鍵就是采用塔機(jī)的靜態(tài)分析與動態(tài)分析相結(jié)合，分別在ANSYA和ADAMS下模擬塔機(jī)的工作狀態(tài)。分析對于在不同的在工作機(jī)構(gòu)起制動加速度下，分析塔機(jī)結(jié)構(gòu)最大振幅與最大瞬態(tài)應(yīng)力發(fā)生部位，確定在滿足鋼結(jié)構(gòu)安全的條件下司機(jī)室處最舒適的起制動加速度變化曲線。從而保證了司機(jī)工作室在不同工況下的舒適性。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)的發(fā)展,高速、高效和大功率成為機(jī)電產(chǎn)品的一個重要發(fā)展方向。這就導(dǎo)致大型機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜,其中包含各類非線性環(huán)節(jié)。如果仍然采用線性模型或線性系統(tǒng)的分析、設(shè)計、監(jiān)測與故障診斷方法,就會“忽略”與系統(tǒng)特性緊密相關(guān)的非線性特性,從而導(dǎo)致難以接受的錯誤,造成分析、設(shè)計和運(yùn)行監(jiān)測與故障診斷的失敗。鑒于動態(tài)特性的問題的復(fù)雜性和多樣性,不可能有普遍適用的一般解決方法。因此,對特定問題,仍需研究各自的解決方案和技術(shù)。從靜態(tài)設(shè)計到動態(tài)設(shè)計轉(zhuǎn)變是起重機(jī)設(shè)計未來發(fā)展的必然趨勢，到目前為止，國內(nèi)外成熟的動態(tài)設(shè)計規(guī)范還沒有形成，動態(tài)設(shè)計過程還在個摸索過程中，要使動態(tài)設(shè)計理念成功應(yīng)用到起重機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，成為一種成熟而實(shí)用的設(shè)計方法還有很長的路要走。對塔式起重機(jī)的動態(tài)分析沒有統(tǒng)一的方法，對塔式起重機(jī)的動態(tài)分析要不斷地摸索，從而得到解決方案。三、調(diào)研報告（或文獻(xiàn)綜述）：從上世紀(jì)70年代，機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析設(shè)計，應(yīng)用領(lǐng)域有航空航、船舶、橋梁、汽車、機(jī)械、水利、建筑等更廣泛的工程領(lǐng)域，解決的問題從結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改進(jìn)結(jié)構(gòu)性能和提高安全壽命，同時兼顧考慮結(jié)構(gòu)的制造合理、安全、舒適等諸多方面。長期以來，動態(tài)性能分析問題一直是起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析中一個普遍關(guān)心的課題。也有很多人做了大量的理論研究工作，但由于受種種限制，傳統(tǒng)的起重機(jī)設(shè)計過程基本還是停留在靜態(tài)設(shè)計層面上，真正涉及到起重機(jī)動態(tài)分析的不是很多。近年來隨著機(jī)械向大型化、高速化、重載化方向發(fā)展，起重機(jī)的的動力學(xué)問題也越來越突出，運(yùn)用傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計方法已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際的需求，迫切需求對起重機(jī)動態(tài)分析這一領(lǐng)域進(jìn)行更深入的研究。起重機(jī)的動態(tài)性能分析理論和方法是目前該裝備急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，經(jīng)調(diào)研目前針對起重機(jī)械的動態(tài)性能分析，國外只有日本、德國、芬蘭等少數(shù)公司開展該方面的研究，并取得了一定的應(yīng)用性成果，其關(guān)鍵技術(shù)核心仍然對外保密。我國相關(guān)設(shè)計制造公司盡管也做了一定的研究，但未形成系統(tǒng)的理論和方法。同時也相互保密，很少有相關(guān)成果公開發(fā)表。分析塔機(jī)動態(tài)特性研究現(xiàn)狀:1.從研究對象來講，大型的龍門起重機(jī)研究較多，而對建筑行業(yè)用的塔機(jī)研究較少。2.大多動態(tài)性能分析研究的只是塔式起重機(jī)的部分結(jié)構(gòu)，對塔式起重機(jī)的整體動態(tài)分析研究較少。3.動態(tài)性能分析的方法很多，但都有一定的缺陷，缺少統(tǒng)一的整合。若多種方法結(jié)合使用，則能相互彌補(bǔ)不足。4.從研究過程來講，多為單向研究，缺少從認(rèn)識到實(shí)踐的反復(fù)過程。四、方案：ADAMS是利用拉格朗日第一類方程建立系統(tǒng)最大量坐標(biāo)動力學(xué)微分方程，求解算法穩(wěn)定，對剛性問題十分有效。ADAMS的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動范圍、碰撞檢測、峰值載荷等，但對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、屈曲、模態(tài)、熱力學(xué)、超單元等彈性系統(tǒng)的解決有一定的局限性。目前解決彈性動力學(xué)的軟件有MSC /NASTRAN和ANSYS有限元分析軟件，這些軟件能夠較好地解決彈性動力學(xué)問題。通常ANSNY不適合進(jìn)行機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析、而ADAMS不適合進(jìn)行有有限元分析 ，將二者結(jié)合，有利于取長補(bǔ)短。而ADAMS軟件是著名的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析軟件，分析對象主要足剛體，但與ANSYS軟件結(jié)合使用可以考慮分析零部件的彈性，同樣ADAMS的分析結(jié)果可為ANSYS分析提供相應(yīng)的邊界條件。而實(shí)際中絕對的剛體運(yùn)動并不存在，絕對的彈性動力學(xué)問題在工程實(shí)踐中也不多見，實(shí)際的工程問題嚴(yán)格地說都是多柔體動力學(xué)問題。因此在塔機(jī)的動態(tài)性能分析時用Ansys進(jìn)行塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)建模，分析在不同工況下各部件的變形（剛度），各部件的固有頻率。然后根據(jù)各部件的剛度和固有頻率，建立Adams塔機(jī)整機(jī)模型，對于不同的工作機(jī)構(gòu)起制動加速度，分析塔機(jī)結(jié)構(gòu)最大振幅與最大瞬態(tài)應(yīng)力發(fā)生部位，確定在滿足鋼結(jié)構(gòu)安全的條件下司機(jī)室處最舒適的起制動加速度變化曲線。主要參考文獻(xiàn)及資料：1.胡宗武.起重機(jī)的動態(tài)計算.起重運(yùn)輸機(jī)械，1987 11李欣.塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元分析.建筑機(jī)械，1992.12.吳天行等.塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)振動的力學(xué)模型和動載荷訓(xùn)算.建筑械,1987(9)3.胡宗武等.起重機(jī)動力學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，19884.黃珊秋，孫家林.淺議塔機(jī)動態(tài)特性.哈爾濱科技人學(xué)學(xué)報，1997(2)5.國家標(biāo)準(zhǔn).起重機(jī)設(shè)計規(guī)范(GB3811-83).中國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)出版社，19846.國家標(biāo)準(zhǔn).塔式起重機(jī)設(shè)計規(guī)范(GB/T13752-92).中國標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)出版社，19937.鄧洪州等.小車變幅塔機(jī)動態(tài)分析.建筑機(jī)械，1989.