东 北 石 油 大 学
课 程 设 计
课 程 题 目 学 院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导教师
桁架结构创新设计 龙门式起重机结构创新设计
机械科学与工程学院 工程力学14-1班
蒋婷 140403240104
李治淼
2016年7月22日
东北石油大学本科生课程设计（论文） 目 录
第1章 概述 ............................................ 1
1.1 制作龙门吊的目的及意义 ..................................... 1 1.2 选题背景 ................................................... 1
第2章 制作要求 ........................................ 2
2.1 整体要求 ................................................... 2 2.2 模型要求 ................................................... 2 2.3 加载方式 ................................................... 3 2.4 失效评比 ................................................... 4 2.5 模型材料及工具 ............................................. 4
第3章 设计说明 ........................................ 5
3.1 桁架说明 ................................................... 5 3.2 结构说明 ................................................... 5 3.3 节点说明 ................................................... 6
第4章 龙门吊静力学计算 ................................. 7
4.1 龙门吊静力分析力学模型 ..................................... 7 4.2 龙门吊内力计算 ............................................. 9 4.3 龙门吊应力计算 ............................................ 10 4.4 龙门吊位移计算 ............................................ 11
第5章 龙门吊稳定性计算 ................................ 11
5.1 龙门吊稳定性分析模型 ...................................... 13 5.2 稳定性计算结果分析 ........................................ 13
第6章 总结 ........................................... 14
东北石油大学本科生课程设计（论文）
第1章 概述
1.1 制作龙门吊的目的及意义
龙门吊主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。它的金属结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。它的种类有很多，按门框结构形式划分，可分为门式起重机和悬臂门式起重机。其中门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。确保它的强度、刚度、稳定性等，是能够安全应用于实际生活中的前提。
1.2 选题背景
龙门式起重机（gantry crane）是桥式起重机的一种变形，俗称龙门吊、龙门起重机。龙门式起重机是门式起重机的象形说法。主要用于室外的货场、料场货、散货的装卸作业。整体结构像门形框架，承载主梁下安装两条支脚，可以直接在地面的轨道上行走，主梁两端可以具有外伸悬臂梁。龙门式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在港口货场得到广泛使用。
如图1.1所示的桁架梁式龙门起重机是由角钢或工字钢焊接而成的，优点是造价低，自重轻，抗风性好。但是由于焊接点多和桁架自身的缺陷，桁架梁也具有挠度大，刚度小，可靠性相对较低，需要频繁检测焊点等缺点。适用于对安全要求较低，起重量较小的场地。
图1.1 单梁桁架门式起重机
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第2章 制作要求
2.1 整体要求
使用竹条和胶水制作一龙门式起重机结构，下部具有至少长600mm，宽350mm的立面空间，将在顶部梁的中央悬挂加载配重，要求结构在此工况下不发生破坏。
模型采用竹条材料制作，模型制作自行安排时间地点来进行，材料与工具自备。
2.2 模型要求
模型在重力作用下与加载平面接触，此时模型的正面投影应在如图2.1所示阴影范围之外。在加载平面上有一600mm*350mm的矩形区域，该区域不能有任何构件。该矩形区域紧贴加载平面，之间没有缝隙，矩形区域下部不能有拉条等结构构件。
图2.1 限定范围及加载示意图
我们将准备一个的外轮廓投影大小刚好是600mm*350mm的检测用长方体。长方体将在模型验收时推入该区域，如果无法推入则视为模型不符合要求。
2
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图2.2 下部净空间及挠度检查示意图
2.3 加载方式
模型直接放置在加载平面上，加载平面是水平的。模型与加载平面相互独立，不能粘接。加载平面上将放置一张A0图纸，以保证结构与加载平面之间有一个统一的摩擦系数。
模型加载采用悬挂重物的方式进行加载，力F的方向竖直向下。如图2.1所示，加载位置是正面投影矩形限制区域的中线位置。模型的高度、长度、跨度以及具体的结构形式均不做任何限制，只要保证如图2.2所示符合挠度检查要求即可。可以出现如图2.1所示的不对称情况，变截面、变高度、变宽度、梁式结构、张拉结构、桁架结构、预应力结构等等都是允许的。
模型必须保证挂钩能顺利挂在模型加载位置，需根据挂钩对加载点进行设计，保证挂钩顺利悬挂。结构构件不能妨碍悬挂挂钩和配重，如果出现不能实现加载，无法记录成绩的问题，责任自负。所使用挂钩如图2.3所示的膨胀螺栓吊钩。
图2.3 加载挂钩
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东北石油大学本科生课程设计（论文） 2.4 失效评比
模型在进行加载时，模型的失效分为部分失效和整体失效。出现下列任一情形则判定为模型整体失效，不能继续加载，成绩记为零分：
（1）在加载阶段，整体结构出现垮塌或侧倒，无法完成加载。 （2）出现违反规定的其它状况，具体由评委讨论决定。 出现下列情形判定为部分失效：
（1）整体没有破坏，但模型出现明显的变形，构件发生过大的挠度，导致挂上重物后无法推入长方体的情况。
（2）出现违反规定的其它状况，具体由评委讨论决定。
2.5 模型材料及工具
（1）竹材：用于制作结构构件，自行购买。竹材规格见表2-1。 （2）502胶水：用于模型结构件之间的连接，自备502 胶水。
（3）制作工具：自行携带制作工具，可以对材料进行任意机械加工（切、削、剪、磨等均可），但不能改变材料的力学性能。
表2-1 竹材规格
序号 1 2 3 4 5
4
竹材规格 900*3*2mm 900*3*3mm 900*3*6mm 900*1*6mm 900*2*2mm 注：竹材力学性能参考值弹模量1.0×104MPa ，抗拉强度60MPa 。
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第3章 设计说明
3.1 桁架说明
本次桁架设计为龙门吊结构，整个模型包括横梁（及其中间组成部分）、支座两大部分。主要来进行整个横梁及支座的设计与制作，并通过502胶水将各结构相互连接，整体采用竹木条材料制作。
3.2 结构说明
龙门起重机结构不仅承担竖向静荷载，而且需承受一定量的弯矩，在重物作用的情况下具有足够的刚度，且不发生破坏。对于结构形式及造型而言，只要满足相关控制点的要求，对塔架体系以及外形的选择不限，这为设计方案的选择提供了较大的余地。在结构选型过程中分别从结构体系及结构外形两方面进行了分析。在结构体系的选取方面，由于拱形结构能将力传递到两端，能承受较大的弯矩作用，而不至于折断，且传力最为直接、高效，非常适用于拱形梁结构。
在结构外形的选择方面，考虑到起重机要承受较大的向下压应力挠度不易1ELEMENTSUROTNFORNMOMRFORRMOM过大，所以横梁应采用中间高，两端低的模型，这样既JUL 13 2016可以省材料，又能保证挠度不大，而拱形是满足此要求，09:25:55并且有很大的抗压能力，而底座承受更大的压应力，所以揉度不易过大，经过长时间的实验，最终采用了如图3.1此种结构的底座，此结构有较大的硬度与刚度，可以完全承受所要求的重量，而梁与底座的接触点采用面接触，因挠度不大，所以接触点只是简单地连接即可，由于力分散到左右两个支座，所以两边的弯曲会很大，因此将两个支座设计为由多个三角形构成的形式。三角形的结构具有稳定性不易变形抗压，抗弯的能力均较强，因此可以很好的分担梁的受力，给梁以支撑的作用。YZX截面采取‘L’型结构，让结构能够实现好地连接，防止开胶。 图3.1 支座模型图
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东北石油大学本科生课程设计（论文） 3.3 节点说明
起重机结构中包含较多节点，竹子构件在这些节点处的连接均采用胶水粘结，为贴合连接节点。这里列出了三种典型的节点连接构造形式，如图3.2所示，包括粘合节点（节点 A）、横梁顶部与塔架之间的节点（节点 B）、塔架与横梁中部之间的节点（节点 C）。塔架的主干与主干之间还连有细杆，以确保结构的稳定。
A节点使用搭接和粘接的组合方式，可以使起加固作用的连接杆承受一定的拉力而不会断开。
B节点，保证十分稳固，不仅节省材料，也满足要求。
C节点的设计采用最简单的连接方式，用于此处不仅可以提高强度，还能提高其稳定性。
A节点粘接方式 B节点粘接方式
C节点粘接方式 图3.2 各节点粘接方式
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第4章 龙门吊静力学计算
4.1 龙门吊静力分析力学模型
本次设计的桁架结构总长610mm，总高380mm。运用学过的材料力学和结构力学，采用有限元软件ANSYS进行力学分析与计算。
在ANSYS中，采用Beam188梁单元离散，因为结构每一段在其中都被打断，所以在mesh的时候每一段只划分了两段，如图4.1所示。 1ELEMENTSJUL 16 201609:19:27YZX 图4.1 整体模型图 这个结构总共有324个单元，300个节点，在支座两端施加全约束，在梁上最中间处，即截面为6*6mm中间处施加FY=100N的力。
在保证满足承载的情况下，我们希望它的质量尽可能的小，因此我们对我们使用的材料以及主要截面做出相应的统计，如表4-1所示。其中四种主要截面分别如图4.2、4.3、4.4所示。
表4-1 竹条用料统计表
竹条横截面积/mm2 3*6*2*1 6*1 2*2 3*2
桁架的体积mm3 12200 5719.35 17082.6 7900.40 竹条的根数 2 4 3 3 7
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图4.2 截面1
图4.3 截面2
图4.4 截面3
图4.5 截面4
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东北石油大学本科生课程设计（论文） 4.2 龙门吊内力计算
通过轴力图与弯矩图来分析局部受力情况，从而简化结构，达到最佳状态。据图4.6可知弯矩最大处发生在最中间两根杆处，原因是中间承重杆所受力向两边传递，导致边上两根杆受力最大。
1LINE STRESSSTEP=1SUB =1TIME=1MYI MYJMIN =-277.283ELEM=99MAX =134.394ELEM=307JUL 16 201609:31:30YZX -231.541-140.057-48.573542.9102134.394-277.283-185.799-94.3154-2.8316688.6521 图4.6 弯矩图
根据图4.7分析得知，梁上两根杆一边受压，一边受拉，轴力最大处发生在这两根杆的中间处。 1LINE STRESSSTEP=1SUB =1TIME=1FNI FNJMIN =-289.914ELEM=305MAX =143.996ELEM=61JUL 16 201610:23:26YZX -241.701-145.277-48.852447.572143.996-289.914-193.489-97.0646-.64022295.7842 图4.7 轴力图 9
东北石油大学本科生课程设计（论文） 4.3 龙门吊应力计算
竹条的强度是衡量结构能否承受100N的力的关键因素之一，需要进行应力计算，如图4.8是该结构的应力分析图。 1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SX (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMN =-49.1746SMX =61.2328JUL 16 201609:14:02MNMXYZX -36.9071-12.372112.162836.697861.2328-49.1746-24.6396-.10465224.430348.9653图4.8 X轴应力图
如图4.9所示，为第三强度理论应力分析结果，最大应力为61.28MPa。
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1SEQV (AVG)DMX =5.24284SMX =61.28MXJUL 16 201623:09:25YZXMN013.617827.235540.853354.4711 6.8088920.426734.044447.662261.28图4.9 等效应力 10
东北石油大学本科生课程设计（论文） 4.4 龙门吊位移计算
所设计符合应力条件之外，X、Y方向的位移也不能超过一定值，图4.10 为X方向的位移图。如图所示，X方向的最大位移为1.173mm.
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1UX (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMN =-1.10557SMX =1.17285JUL 16 201623:19:50MNMXYZX 1.17285.66653.160215-.3461-.852415-1.10557-.599257-.092942.413373.919688图4.10 X方向位移图
如图4.11所示，为该结构Y方向的位移图，在Y方向的最大位移为4.65mm.
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1UY (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMN =-4.65373SMX =.132E-04JUL 16 201609:06:47MNYZXMX -4.13665-3.10248-2.06832-1.03415.132E-04-4.65373-3.61956-2.5854-1.55123-.517069图4.11 Y方向位移图 11
东北石油大学本科生课程设计（论文） 如图4.12所示，为该结构的总位移图，
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMX =5.24284JUL 16 201623:20:11MXYMNZX01.165082.330153.495234.6603 .5825381.747612.912694.077765.24284图4.12 总位移图
如图4.13所示，为局部放大的最大位移图，
1NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB =1TIME=1USUM (AVG)RSYS=0DMX =5.24284SMX =5.24284JUL 16 201623:34:42MX01.165082.330153.495234.6603 .5825381.747612.912694.077765.24284图4.13 总位移局部放大图
据图可见，该结构的变形量最大达到5.24mm，其中最大变形处发生在中间
承重杆附近。
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第5章 龙门吊稳定性计算
5.1 龙门吊稳定性分析模型
稳定性分析也是判断结构能否承载成功的因素之一，特征值屈曲分析施加的载荷为100N，支座两端施加的全约束。
特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈曲强度，通过特征值屈曲分析我们可以获得极限载荷，能够对我们做的结构有一个更清楚的分析。
5.2 稳定性计算结果分析
为了使结构能够保证不失稳，我们做了特征值屈曲，结果如表5-1如下：
表5-1
SET 21 22 23 24 1TIME/FREQ -0.58145 1.3370 1.5543 1.7720 DISPLACEMENTSTEP=1SUB =50FACT=11.5943DMX =5.2309LOAD STEP 1 1 1 1 SUBSTEP 21 22 23 24 CUMULATIVE 21 22 23 24 JUL 16 201610:32:52YZX 图5.1 屈曲失稳图
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第6章 总结
本组成员有：王久亮、尚文博、陈开放和蒋婷，最终选取蒋婷的模型进行模型制作。
通过以上对该结构的分析得出结论：
（1）在X方向的应力为61MPa，基本符合强度要求。
（2）在Y方向的最大位移为4.65mm，总位移为5.24mm，变形并不大，也基本符合要求。
（3）已知竹子的密度为0.000617g/mm3，总体积为56013.3mm3，得出总质量为34.6g，失稳载荷为133.7N，即在F=133.7N时，结构发生失稳。而要求只承受100N即可，理论上该结构是合格的。据图5.1，失稳最严重的还是支座。
经过近两周的准备，历经方案设计、模型修正一直到最终这个尚未成型的作品，虽然还不完美，但是凝聚了我们组员的心血。
（1）由三角型横梁结构，加以想象设计，最终采用的方案为上拱形横梁结构。整个起重机由类三角支座支承，而受力由上拱型结构承受。
（2）运用拱形结构能承受较大的压力的特点，制作上拱形的横梁结构。 （3）遵循桁架的受力原则，保证杆与杆之间的贯通和相贯搭接。在受力较大较复杂处使用增大截面，不仅节省了材料，使结构重量变轻，而且符合受力要求。
（4）结合各构件的受力特点，设计的三种节点不仅可以提高强度，还能提高其稳定性
本次设计的结构能够充分发挥材料的特性，具有重量轻、强度高，稳定性强的特点。但是作品必然存在这样那样的问题，希望在这次交流中能够和班上同学充分地交流。
感谢老师能够给予机会参加这个课程设计，特别感谢老师的辛苦指导，也要感谢各位同学的无私帮助。
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