摘 要

Abstract 6

第1章 绪论 7

1.1 课题的研究目的和意义 7

1.2 课题研究的内容 7

第2章 基于APDL的臂架系统设计 9

2.1 技术参数 9

2.2货物水平位移补偿系统的设计 10

2.2.1定义变量 12

2.2.2选择单元类型 12

2.2.3创建节点和单元 13

2.2.4施加约束 15

2.2.5求解，设置载荷步长和时间等 16

2.2.6查看结果 16

2.3杠杆活对重式臂架自重平衡系统设计 17

2.3.1估算各构件和活对重的质量 17

2.3.2施加载荷并求解 18

2.3.3查看结果 19

2.4各类设计方法的比较 20

2.5 基于APDL的优化设计 21

2.5.1各类参数的提取 21

2.5.2生成优化分析文件 22

2.5.3进入优化处理器 22

第3章 总体设计计算 26

3.1主要工作机构及金属结构 26

3.1.1 起升机构组成及工作原理 26

3.1.2变幅机构组成及工作原理 27

3.1.3回转机构组成及形式 28

3.1.4运行机构组成及形式 29

3.1.5门座起重机的金属结构 30

3.2载荷计算 31

3.2.1自重载荷 31

3.2.2额定起升载荷 32

3.2.3垂直运动引起的动载荷 32

3.2.4风载荷 33

3.2.5 载荷组合 36

3.3轮压计算 37

3.3.1 各支腿支承反力计算公式 37

3.3.2 各工况下的轮压计算 39

3.4整机抗倾覆稳定性计算 45

3.4.1基本原则 45

3.4.2 抗倾覆稳定性校验计算 45

第4章 起升机构的设计计算 50

4.1起升机构的工作原理和布置形式 50

4.2钢丝绳滑轮组卷绕系统的设计 50

4.2.1滑轮组的倍率和效率 51

4.2.2钢丝绳的选择 52

4.2.3滑轮和卷筒的设计 54

4.3驱动装置的设计 56

4.3.1电动机 56

4.3.2减速器的选择 57

4.3.3 联轴器的选择 58

4.3.4制动器的选择 58

4.4起升机构的三维建模 59

4.4.1各零部件的绘制 59

4.4.2各零部件的装配 62

第5章 经济性分析与总结 64

5.1经济性分析 64

5.2全文展望与总结 64

致谢 67

摘要

近年来国家提出“一带一路”战略，港口机械设计迎来新的机遇与发展。本论文以MQ1035门座起重机为研究对象，进行整体设计计算和起升机构的仿真分析。

在常规起重机设计的基础上，结合有限元分析软件ANSYS并充分发挥其特长，编写了门座起重机总体设计中相对较困难和繁琐部分的相关APDL程序，即四连杆门机货物水平位移补偿系统设计和臂架自重平衡系统设计，对提高门机设计效率及质量有较好的借鉴作用。

首先根据给定的门座起重机机设计要求，进行相关的总体设计计算；然后运用具有强大结构分析功能及瞬态分析功能的有限元分析软件ANSYS，通过编程的方法建立了臂架系统和臂架平衡系统合为一体的运动模型，为了减少能源消耗，通过相关分析及优化，保证了臂架系统在变幅过程中货物的近似水平移动且臂架系统重心基本不发生升降运动。最后结合三维建模仿真分析软件CREO对门机的起升机构进行了设计、建模及仿真。

ANSYS和CREO的综合、合理运用有效的提高了门座起重机设计的效率和精确程度，具有较好的现实意义和工程实用价值。

关键词：门座起重机；总体设计；三维建模；ANSYS；CREO

Abstract

In recent years， the country put forward the "The Belt and Road" strategy， the design of port machinery ushered new development opportunities. This paper takes the MQ1035 portal crane as the research object，carries on the overall design calculation and the hoisting mechanism simulation analysis.

On the basis of conventional crane design，I write difficult and tedious part of the APDL program combined with the finite element analysis software ANSYS and give full play to its strengths. It can be used for reference to improve the design efficiency and quality of the gantry crane.

According to the given design requirement，I design and calculate the parameters of overall portal crane firstly；then I use the mechanical system analysis software ANSYS to establish the motion of the hoisting system model and ensure the hoisting system in the process of amplitude horizontal movement and the center of gravity did not happen in the lifting movement，finally use analysis software CREO to design hoisting mechanism.

The joint simulation of CREO and ANSYS can effectively improve the cycle and precision of the design of portal crane，which is of great practical significance.

Key Words：portal crane；overall design ；3D ； ANSYS ； CREO ；

第1章 绪论

1.1 课题的研究目的和意义

进入二十一世纪以来，交通运输行业飞速发展，港口作为交通运输上至关重要的一环，显著的促进了国际贸易和地区经济的发展，经济贸易与航运的发展使得现代港口成为全球运输体系中的神经中枢 ^[1]。

为了顺应当代交通运输行业的发展，我们正不断改善港口基本建设，扩大港口规模。为了保证在激烈的国际港口竞争中立于不败之地，世界各地的港口都在积极开发新技术，引进先进的港口起重机械，改善装卸运输工艺等。自动化、高效化、信息化、智能化是未来港口起重机械有利的发展方向^[2]。

近年来国家提出“一带一路”战略，该战略致力于通过基础设施的完善来带动经济和贸易的发展。这一过程中，港口作为物流链的重要节点，将迎来难得的发展机遇，这也必将促进港口机械的进一步发展。门座起重机作为一种典型的旋转类型起重机，被广泛应用于港口、码头货物的机械化装卸，造船厂船舶的施工与安装及大型水电站建坝工程中^[3]。

作为一名机械设计制造及其自动化专业的学生，在本科四年的时间里我学习了一系列与起重机设计有关的课程，通过本次毕业设计我能够系统性的复习回顾以前学过的知识，并将本科四年学到的知识应用到实际中，不局限于理论知识的学习，提高自己的实践设计能力。同时也提高自己对新知识的学习和运用的能力，如最优化方面的知识和ANSYS的使用。因此我在本次毕业设计中研究的课题（基于ANSYS APDL和CREO的10t门机总体设计及起升机构设计）是非常具有现实意义的。

1.2 课题研究的内容

本课题以MQ1035门座起重机为研究对象，进行整体设计计算和起升机构的设计及三维建模和仿真。首先根据给定的技术参数，进行门座起重机的总体设计计算；然后运用通用有限元分析软件ANSYS建立臂架系统运动模型，最后进行起升机构的设计及三维建模仿真分析。具体工作如下：

1. 根据课题所给的主要技术参数，确定门座起重机四大工作机构，运用有限元分析软件ANSYS，通过编程的方法建立了臂架系统和臂架平衡系统合为一体的运动模型，为了减少能源消耗，提高操作性能，通过相关分析及优化，保证了臂架系统在变幅过程中货物的近似水平移动且臂架系统重心基本不发生升降运动。
2. 绘制门座起重机MQ1035的总图，计算起重机工作时受到的各类载荷及轮压并校验起重机的整体稳定性。
3. 设计计算门座起重机的起升机构，包括电机、减速器、联轴器和制动器选型，钢丝绳、起升滑轮及卷筒基本尺寸等。并使用CREO进行10t四连杆门机起升机构的三维建模与装配。

第2章 基于APDL的臂架系统设计

2.1 技术参数

门座起重机的基本参数有起重量、起升高度、幅度、工作速度、工作类型、轨距、轮压、外形尺寸等。这些参数是表征门座起重机性能的主要指标，也是进行起重机设计工作的技术依据^[4]。

本次设计的MQ1035门座起重机主要技术参数见表2.1。

表2.1 技术参数表

门座起重机可以分为四连杆组合臂架式门座起重机和单臂架式门座起重机两种。四连杆组合臂架式门座起重机的最大优点在于臂架下面的净空高度较大，因而在一定的起升高度要求下，起重机的总高度可以降低，而单臂架门座起重机主要优点在于结构简单、重量轻^[5]。目前国内较多使用四连杆组合臂架式门座起重机。

臂架系统的设计原则是通过对臂架系统各部分尺寸的合理设计保证在变幅过程中货物沿水平线移动且货物引起对下绞点的不平衡力矩尽可能的小，因此需要找到象鼻梁端点从最小幅度运动到最大幅度时各位置的高度。传统的臂架系统设计方法多采用图解法手动找点，即通过人工作图的方法，取有限数量的点来模拟整个变幅过程中的位移变化情况，但这种方法需要耗费大量人力和时间且难以得出精确结果。

现在随着CAE技术的快速发展，多采用参数化找点，如使用CREO建立参数化的臂架系统模型，使用EXCEL建立电子表格进行公式计算，使用ADAMS 进行运动仿真，使用VB、VC、MATLAB编程找点等方法都能快速且精确的实现找点过程。本次设计我采用ANSYS进行臂架系统动态仿真，通过参数化设计实现自动找点。采用ANSYS瞬态分析进行找点可模拟臂架系统变幅运动的整个过程，并得出象鼻梁端点的位移运动曲线，则可简便直观的得出精确结果。同时ANSYS还可以进一步对臂架系统各部分结构的尺寸进行优化设计，在同时满足货物水平位移和重心基本不发生升降的前提下，即可快速得到最合适的臂架尺寸。

2.2货物水平位移补偿系统的设计

按照工作原理，实现货物水平位移的方法有绳索补偿法和组合臂架补偿法，本次设计采用的是组合臂架补偿法中的刚性拉杆组合臂架法，臂架系统的主臂架、象鼻梁、大拉杆和机架组成了一个平面四连杆机构。当臂架俯仰运动时，象鼻梁端点的运动轨迹是一双叶曲线，双叶曲线下部可近似看作一条直线。该补偿方法中，臂架系统刚性好，臂架下的有效空间较大。但臂架系统结构比较复杂，自重大。因而这种补偿方法多用在港口门座起重机上。

根据起重机最大幅度R_max=35m，最小幅度R_min=9.5m，起升高度及总体布置要求，初步确定臂架下铰点离回转中心线的水平距离f=1.5m，臂架下绞点到象鼻梁端部滑轮中心的高度H₀=15m，最小幅度时的仰角为82^o，起升滑轮组的倍率为m_q=1。由此确定计算幅度为