摘 要

本文利用Solidworks、Ansys等现在技术完成MQ4040单臂架门座起重机的总体设计以及臂架结构的设计，文章主要讲述了起重机的总体计算的整个过程和臂架结构的设计和校核，主要工作分为以下几个部分：

（1）MQ4040门座起重机总体设计计算，首先根据基本设计参数，确定起重机的主要机构和金属形式，然后进行找点计算，完成其水平位移补偿系统和自重平衡系统的设计与校核，最后进行起重机的自重载荷、风载荷、轮压、抗倾覆稳定性以及抗风防滑安全性等的计算。

（2）MQ4040门座起重机臂架机构的设计与验算，首先根据需求确定臂架结构形式和主尺寸的设计，然后进行臂架结构强度、刚度和稳定性的计算。

（3）利用Solidworks软件进行臂架结构进行三维仿真建模，主要是臂架结构主体结构进行建模，然后进行零件装配，组成一个装配体。

（4）利用Ansys有限元分析软件进行受力分析，建好模型后进行网格划分，然后施加约束和载荷，最后进行处理，得出结果。

本文利用Solidworks、AutoCad、Ansys等软件完成对MQ4040门座式起重机的总体设计和臂架结构的设计，有效的提高了工作效率，降低设计和制造过程中所需的成本，并且能对起重机的性能进行优化，提高了起重机的使用寿命，与传统方法相比有了很大的进步。

关键词：门座起重机；臂架结构；总体设计计算；三维仿真建模；有限元分析。

Abstract

This paper uses Solidworks, Ansys and other techniques to complete the overall design of the MQ4040 single arm frame gantry crane and the design and calculation of the arm frame structure. The article mainly describes the whole process of the crane calculation and the design and check of the arm frame structure. The main work is divided into the following parts:

(1) the overall design and calculation of the MQ4040 gantry crane. First, according to the basic design parameters, the main mechanism and the metal form of the crane are determined. Then the calculation is carried out and the design and checking of the horizontal displacement compensation system and the self weight balance system are completed. Finally, the weight load, the wind load, the wheel pressure and the anti tilt of the crane are carried out. Calculation of stability and wind resistance and skid resistance.

(2) the design and calculation of the arm frame of MQ4040 gantry crane, first of all, to determine the structure of the arm frame and the main size according to the demand, and then calculate the strength, stiffness and stability of the arm frame structure.

(3) using Solidworks software to carry on the 3D simulation modeling of the arm frame structure, the main structure of the arm frame structure is modeled, then the parts are assembled, and an assembly body is formed.

(4) the Ansys finite element analysis software is used to carry out the force analysis. After the model is built, the grid is meshe, and then the constraint and load are applied. Finally, the results are obtained.

In this paper, Solidworks, AutoCad, Ansys and other software are used to complete the overall design of the MQ4040 gantry crane and the design of the arm frame structure, which effectively improves the working efficiency and reduces the cost needed in the design and manufacturing process, and can optimize the crane performance, raise the service life of the crane, and the traditional side. There's a lot of progress compared to the law.

Key words:gantry crane; boom structure; overall design and calculation; 3D simulation modeling; finite element analysis.

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究设计的目的及意义 1

1.2国内外的研究现状分析 1

1.3设计的基本内容 2

1.4设计技术方案 2

第2章 MQ4040单臂架门座起重机起重机总体设计 3

2.1 门座式起重机设计参数 3

2.2起重机臂架系统设计 3

2.2.1货物水平位移补偿设计及校核 4

2.2.2臂架自重平衡系统设计及校核 5

2.3载荷计算 5

2.3.1自重载荷 6

2.4.2货物偏拜载荷 8

2.4.3风载荷 8

2.3.4车挡冲击力 13

2.4轮压的计算 13

2.5起重机抗倾覆稳定性的计算 14

2.5.1 基本稳定性 15

2.5.2 动态稳定性 15

2.5.3 非工作状态最大风载荷 15

2.5.4 突然卸载 15

2.6抗风防滑安全性 16

2.6.1正常工作状态 16

2.6.2非工作状态 17

第3章 臂架结构设计计算 22

3.1臂架结构设计 22

3.2作用载荷 22

3.3臂架的强度计算 24

3.4臂架的刚度计算 24

3.5臂架整体稳定性的计算 25

第4章 臂架结构有限元分析和三维建模 26

4.1 臂架结构三维建模 26

4.2 臂架结构有限元分析 27

第5章 环境影响及经济性分析 33

5.1 环境影响 33

5.2 经济性分析 33

第6章 总结 34

参考文献 35

致谢 37

第1章 绪论

1.1研究设计的目的及意义

门座式起重机作为港口热门起重机械，具有高效的作业能力、低成本建设费用、机动灵活、通用性强等特点。门座式起重机广泛应用于港口等场所。

在门座起重机中，臂架结构作为直接承载和传递起升载荷的结构，其工作性能可以直接影响到整机的总体性能。所以合理的臂架结构设计，可以大幅度提高整台起重机的工作性能，提高起重机的操作性能。

本次毕业设计通过对门座式的总体、机构和结构进行设计、计算并建立其三维模型，可以培养学生综合运用本科阶段所学的工程制图、力学、材料学、机械设计学等专业课程知识的能力及熟练使用设计、仿真软件的能力，为将来走上工作岗位夯实基础。

1.2国内外的研究现状分析

据上海振华重工集团的黄陈娣^[1]所述，随着我国重工业的快速发展，起重机设备也取得很好的进步，我国在小吨位的起重机设计已经处于世界前端，但是在大型起重机的研发相对落后。

随着科学技术的发展，国内外对起重工业有了深入的研究。Jian Zhang等^[2]对港口起重机设备生命命周期产品需求信息进行了建模，对港口起重设备与许多显著的特点（负荷变化，产品组成复杂以及更高的安全性和可靠性要求）有了进一步的认识及了解。Francesco Frendo^[3]讨论起重机吊臂的灾难性分析；U. Zerbst等^[4]系统讨论断裂力学失效分析；Deniz Bayraktar等^[5]对焊接端板管街头瞬时转动关系的实验和数值研究，为防止在圆形空心型材的焊接接头弯曲时发生局部屈曲效应作出重要贡献。

现代结构设计方向逐渐发生了转变，由传统的静态设计转变为结构动态优化设计。例如武汉理工大学的彭箐箐等^[6]利用Ansys软件的参数化设计语言APDL对门座式起重机臂架结构进行任意幅度参数化建模，实现了静力学分析及模态分析。同样，苏运波^[7]也用该软件进行了起重机臂架结构建模及优化研究；孙彦峰^[8]对港口门座起重机臂架结构进行了有限元分析。计三有^[9]进行门座式起重机臂架结构的有限元分析，为设计提供理论依据。刘德作^[10]对单臂架起重机臂架结构进行动力学研究，应用Ansys软件获得臂架结构的有限元模型及其动态相应，从而得到一系列有用的结论。厉乐乐^[11]运用Ansys软件对门座起重机臂架结构进行模态分析，得到其固有频率和振型，为设计和改造提供参考依据。

除了普遍利用的有限元分析软件Ansys外，还有很多的辅助软件帮忙减少工作量，提高工作效率，推动起重机事业的发展。陈洋^[12]利用Adams创建臂架柔性体，模拟40吨门座式起重机臂架系统刚柔耦合，有效的减少了设计周期和成本。除了设计方面的技术进步，随着科技的推进，对起重机的分析也有了进步。李志毅^[13]利用有限元分析方法对门座式起重机比价结构锈蚀进行了分析，有效的对起重机进行了防腐蚀处理，减少事故的发生；同样，王怀建^[14]对门座起重机臂架裂纹分析，为制造过程需避免的缺点做出了提醒；刘力等^[15]分析起重机门架结构疲劳寿命；陈飞等^[16]对门座起重机臂架铰点结构进行分析；孙明新^[17]模拟起重机臂架受力状态。张建^[18]进行了门座式起重机臂架的力学分析。王金平^[19]对起重机臂架结构几何非线性稳定性进行了分析。沈寿林等^[20]研究与开发起重机组合臂架结构分析系统.曹三平^[21]对大型门座式起重机钢结构的创新优化设计。这些都是对起重机进行了危险分析，对起重机制造、使用作出了很大的贡献。

随着计算机上技术的不断发展，起重机的设计的效率大大提高，产品性能有了很大的进步，同时有限的减少了设计成本。未来的门座起重机必定向自动化、智能化发展。

1.3设计的基本内容

本次任务主要工作有：首先，完成单臂架门座式起重机总体设计计算，计算自重力矩、风压、轮压稳定性等参数；其次，完成臂架结构的主尺寸设计、受力分析计算及有限元分析和臂架结构的建模。

（1）总体设计部分。首先，根据主要设计参数确定单臂门座起重机的主要结构尺寸；然后设计并校验起重机的水平位移补偿系统和自平衡系统；最后，完成起重机的自重力矩，风压，轮压和稳定性等参数的计算。

（2）臂架结构设计部分。首先确定臂架结构的结构形式，完成臂架结构的主尺寸设计；然后完成臂架结构有限元分析计算；最后完成臂架结构三维仿真建模。

1.4设计技术方案

（1）根据总体设计要求初步选择臂架，人字架等结构形式，货物水平位移补偿方式，臂架自重平衡方式等。

（2）根据设计参数初步确定臂架系统的各个尺寸；

（3）校验水平位移补偿系统及自重平衡系统是否满足要求；

（4）整体稳定性校验，轮压计算校验，整机稳定性校核；

（5）确定臂架结构的主尺寸；

（6）简化校验臂架结构的刚度，强度，稳定性；确定臂架结构的材料；

（7）利用Ansys软件对臂架进行有限元分析；

（8）校核臂架结构危险截面的强度，刚度，稳定性，若符合要求则完成设计，否则修改尺寸重复（6）-（7）；

（9）利用Solidworks进行三维实体建模。

第2章 MQ4040单臂架门座起重机起重机总体设计

2.1 门座式起重机设计参数

起重机的技术参数是设计起重机的基本依据。本次设计的MQ4040单臂架门座式起重机主要性参数见表2.1。

表2.1 主要性能参数

2.2起重机臂架系统设计

臂架自重平衡系统和货物水平位移补偿系统可以使变幅过程中臂架系统合成重心和货物重心高度不变或发生细微变化，从而降低起重机势能的变化，大大降低所需起重机变幅驱动装置功率的消耗。

2.2.1货物水平位移补偿设计及校核

本文设计根据实际情况考虑，采用滑轮组补偿，布置简图如下图所示。滑轮组补偿是在起升钢丝绳卷绕系统中增设了一个补偿滑轮组，当臂架从一个位置摆动到另一个位置时，利用起升绳总长度不变，局部长度可变，实现货物的水平位移补偿。本次设计钢丝绳卷绕系统设计简图如下图所示：

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