摘 要

集装箱门式起重机是用于港口集装箱作业的主要工具，拥有着作用范围大、适应面广、装卸效率高等特点，但相应的其体积庞大，在设计制造过程当中有周期长、成本高、试验场地有限等难题。而利用虚拟样机技术就可以很好地改善以上问题：一方面通过虚拟环境建构起重机，在计算机软件平台上便可完成，搭建周期短，损耗少，不受场地限制；另一方面可以快速地通过仿真得到起重机特性，反馈和修改设计相关参数快捷方便，省时省力。

本文着重通过运用Solidworks和ADAMS软件，对LMQ3535型门式起重机进行三维建模和运动学上的仿真，实现三个基本运动，从而验证门式起重机在虚拟样机技术下的可行性。具体工作内容如下：

（1）对LMQ3535集装箱门式起重机进行总体设计，确定其主要技术参数、设计尺寸和各机构的基本选型，计算轮压和稳定性验算。

（2）运用Solidworks软件，按照之前确定的设计尺寸，建立起重机各机构和金属结构的三维模型，并装配成整机。

（3）在ADAMS软件中导入三维模型，对三维模型进行相关约束和驱动的添加等措施，实现起重机基本运动的仿真，通过仿真曲线等后处理验证虚拟样机运动仿真的可行性。

运用虚拟样机实现门式起重机的基本运动状况，是对该新型技术在起重机相关设计和运动分析中能否得以应用的一个探究和尝试，最终结果也说明了虚拟样机技术在相关领域中拥有一定的参考和运用意义。

关键词：集装箱门式起重机；虚拟样机技术； ADAMS；仿真

Abstract

Container gantry cranes are the main tools used for port container loading, handling and storage. They have a wide range of applications, wide adaptation, and high loading and unloading efficiency. However, they have a correspondingly large volume and some other problems, such as long period in the design and manufacturing, high costs, limited test sites and so on. The use of virtual prototyping technology can be a good way to solve the above problems. On one hand, the construction of a crane by virtual environment can be completed on the computer software platform with short set-up period, low loss, and no space restrictions; on the other hand, the kinematics and dynamics of the crane are easy to get through simulation , design parameters are quickly and easily to respond and modify, which is saving time and effort.

This thesis focuses on the three-dimensional modeling and kinematics simulation of the LMQ3535 container gantry crane by using Solidworks and ADAMS software. The purpose is to realize the three basic movements of the virtual gantry crane, and verify the feasibility of the gantry crane in virtual prototype technology. The main research contents are as follows.

(1) Finishing the overall design of the LMQ3535 container gantry crane , determining its main technical parameters, design dimensions and the basic selection of each institution.

(2) According to the design size and drawing, using Solidworks software to set up the three-dimensional model of crane's various mechanism and metal structure, and assemble it into a complete machine.

(3) Importing the three-dimensional model of the whole machine into ADAMS software, and make the model simulated by applying constraints and motion, exporting the relevant parameter curves of the simulation results through software post-processing to verify the correctness and feasibility of the virtual prototype motion simulation.

Using virtual prototype of gantry crane and realizing its basic movement is an exploration and attempt to apply the new technology to crane related design and motion analysis. The final result also shows that the virtual prototype technology has certain reference and application value in related fields.

Key Words: container gantry cranes; virtual prototyping technology; ADAMS; simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3 本文主要工作 3

第2章 总体设计 5

2.1主参数确定 5

2.2生产率 5

2.3 确定主要机构的工作形式 7

2.3.1 起升机构 7

2.3.2小车运行机构 9

2.3.3大车运行机构 11

2.4金属结构的确定 12

2.4.1大梁 12

2.4.2门架系统 14

2.5载荷和载荷组合 15

2.6轮压和稳定性计算 19

2.6.1轮压计算 20

2.6.2稳定性计算 23

2.7本章小结 24

第3章 基于Solidworks的门式起重机三维建模 25

3.1 Solidworks软件介绍 25

3.2起升机构三维建模 25

3.3 大、小车运行机构三维建模 26

3.4金属结构三维建模 27

3.5起重机整机装配 28

3.6本章小结 29

第4章 基于ADAMS的门式起重机虚拟样机设计及仿真 30

4.1 ADAMS软件简介 30

4.2 门式起重机虚拟样机设计 30

4.2.1 ADAMS仿真前准备 30

4.2.2 ADAMS约束设置 31

4.2.3 ADAMS绳建模 33

4.3 门式起重机虚拟样机仿真和后处理 35

4.3.1 驱动添加 35

4.3.2虚拟样机仿真分析 36

4.4本章小结 39

第5章 总结与展望 40

5.1 全文结论 40

5.2经济性与环境影响分析 41

5.3展望 40

参考文献 43

致谢 45

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

港口是一个国家经济发展、区域经济发展必不可少的部分，是对外交流和贸易的要津。而港口机械作为港口的基础建设，扮演着货物输入输出和储存运输作用的重要角色。在众多港口运输方式中，集装箱作业拥有着包装简易、货损率低、装卸效率高、可运货源广等众多优点，逐渐成为了当今港口物流的主流。为了适应集装箱运输发展需要，目前国内的港口在开发拓建新的集装箱码头时，开始将具有更大拓展、适应高密度堆存、应用高新技术的轨道式集装箱门式起重机的堆场作业方式作为另一种选择^[1]。

而要发展新形式的起重机，必然要适应如今自动化、参数化、设备精密化的时代潮流。随着我国科技进步和经济实力的不断发展，起重机行业也随之进入了蓬勃发展的时代，在产品设计、制造水平、生产数量、成品质量、结构优化等多个方面都取得了不俗的成绩。但是仅仅在已有成品是进行不断改良是不够的，要在起重机行业取得突破性进展，必须要有创新的设计理念和良好的产品发展环境。先进的设备支持、良性的行业内竞争、有利可图的市场盈利模式，这都是起重机创新性设计的必须条件。在这些方面，我们离国际的先进水准还有一定的差距。

经典的起重机设计过程，通常是沿袭已有的成熟设计，在其基础上实行可控范围内的修改，然后制造出样机，通过样机的模拟作业进行数据反馈，根据反馈内容考虑原有设计上的缺陷进行改进，保证其强度、刚度、稳定性等安全要求后再投入批量生产。其制造过程是采用根据工艺图纸进行工序设计、金属加工、焊接、装配这样一种传统模式^[2]。这一过程冗长繁琐，同时样机的制造和测试使用会大大增加成本，导致一件成熟产品的诞生所消耗的时间成本和经济成本都十分巨大。相对国际先进水平而言，我国起重机设计生产过程中仍然存在设计和创新能力上的不足，传统的二维 CAD 设计显露出其设计过程中的局限性，而物理样机的制造和装配更是耗费了大部分的产品生命周期， 使得起重机设计制造成本无法得到有效控制^[3]。

其次，起重机的运动学和动力学分析也是一个大工程。起重机有着较为复杂的工作状况，在运行工程中也受到多种不同载荷的影响。要测试起重机的各项参数，需要额外划分出相当面积的场地供其运行研究，需要采用大量的传感器和测试装置，设置在起重机的危险部位，在现实环境中模拟出各类不同工况，通过多次测量采集样本数据，然后再对数据进行后处理。测试过程不仅繁琐，也耗费了大量的精力、财力和物力，对时间和经济两个方面的消耗都是很大的考验。

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