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导师课题课题类别工程设计（一）塔式起重机的研究现状及发展趋势 塔式起重机是现代工业与民用建筑的重要施工机械之一。在高层建筑施工中，它的幅度利用度比其他类型起重机高。塔机由于能靠近建筑物，其幅度利用率可达整体幅度的80。塔式起重机的变幅及回转机构是可以同时实现重物在垂直方向和水平方向移动的机构，所以可以扩大起重机的工作范围，提高生产率。应用塔机对于加快施工速度、缩短工期、降低工程造价能够起到重要作用。塔式起重机已经成为建筑工程业必要的技术装备，成为衡量建筑工程业生产力水平高下的重要标志之一，成为加快工程建设、确保工程整体质量、降低工程造价、提高社会效益与经济效益的重要手段。塔机是在第二次世界大战后才真正获得发展的。战后各国面临着重建家园的艰巨任务，浩大的建筑工程量迫切需要大量性能良好的塔式起重机。自塔式起重机在建筑施工中显露身手并逐渐成为工程机械一个重要分支以来，已经有50余年历史，其间利经了曲折复杂的发展阶段。70年代末，由于种种原因，国外塔式起重机制造业陷入了低谷，不少中小工厂纷纷停业或转产，仅少数大厂得以维持。直至80年代末才呈现逐渐复苏态势，1994年为复苏年头，复苏势头最好的国家为德国。据有关资料介绍，在塔机制造业鼎盛的70年代，西德拥有各式塔机48500台，80年代总量减至1/3，而近几年，东西德合并，基建规模扩大，塔机产量上升，现有塔机近40000台，其中半数机龄不足5年。我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气, 我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。到20世纪90年代以后，塔式起重机行业随着行业建筑任务的增加而进入了新兴时期，年产量连年猛增，而且也有部分产品出口到了国外。全国塔式起重机的拥有总量也从20世纪50年代的几十台到2000年的60000台左右。至此，无论从生产规模、应用范围、塔式起重机总量等各个角度来衡量，我国都可以称为塔式起重机大国。从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，新产品在生产效能、操作简便、保养容易和运行可靠方面均有提高，但是塔机的技术并无根本性的改变。塔机的研究正向着组合式发展。所谓的组合式，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔身分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理再将各部分划分成若干模块。根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特征的塔机，以满足施工的具体需求。推行组合式的塔机有助于加快塔机产品开发进度，节省产品开发费用，并能更好的为客户服务。当前塔机的发展具有如下一些特点和趋势：1、吊臂长度加长 在六十年代初，吊臂长度超过40m的较少，七十年代吊臂长度已能做到70m，快速拆装下回转塔式起重机的吊臂长度可达35m。自升式塔式起重机吊臂是可以接长的，标准臂长一般为3045m，可以接长到5060m。重型塔式起重机吊臂则更长。吊臂加长可带来更好的技术经济效果。随着塔式起重机设计水平的提高，能解决由臂长加大带来的一些技术问题(如安装和运输问题)。低合金高强度钢材及铝合金的广泛采用亦为加长吊臂提供了非常有利的条件。2、工作速度提高，且能调速 由于调速技术的进步，滑轮组倍率可变，双速、三速电动机及直流电动机调速的应用，使塔式起重机工作速度在逐渐提高。起升机构普遍做到至少具有3种工作速度，重物起升速度超过100mmin者也很多。构件安装就位速度可在0-10mmin范围内进行选择。回转速度一般可在0-1rmin之间进行调节。小车牵引和塔式起重机行走大多也有2-3种工作速度，小车牵引速度最快可达60mmin。3、改善操纵条件 随着塔式起重机向大型、大高度方向发展，操纵人员的能见度愈来愈差。因此需要在吊臂端部(动臂变幅)或小车上(小车变幅)安装电视摄象机，在操作室利用电视进行操作。有的还采用了双频道的无线电遥控系统，不但可由地面的操作人员控制吊装；还可根据事先编排的程序自动进行吊装。4、更多地采用组装式结构 为了便于产品的更新换代，简化设计制造、使用与管理，提高塔式起重机使用的经济效益，国外塔式起重机专业厂已做到产品系列化，部件模数化。以不同模数塔身，臂架标准节组合成变截面塔身和臂架，不仅能提高塔身、臂架的力学性能，减轻塔式起重机自重，而且可明显减少使用单位塔架，臂架的储备量，为降低成本，简化管理创造了条件。（二）ANSYS介绍 有限单元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是50年代首先在连续体力学领域-飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元思想的核心就是把实际结构离散化，假想地使实际的结构离散为有限数目个类似结构的个体，然后通过分析这些有限个体的性能来求出满足实际工程要求的计算结果，从而代替对于具体复杂实际结构的求解。经过离散化，应用有限元思想，可以解决很多实际复杂的工程问题，并在理论研究和工程应用两方面都具有极其重要的实用价值。 ANSYS作为一个大型通用软件，广泛应用于结构、流体、声场、热、耦合场、电磁场上面，利用ANSYS软件，能够将实际模型置于各种各样不同的复杂实际工况之中，准确并合理的分析，优化设计，减少实际试验的物质和人力投入，提高工作效率，缩短研发周期从而能够为提高利润做出贡献。使用ANSYS软件分析，包含以下几个过程：建立模型、划分网格、加载和求解、结果后处理。若在实际应用过程中想对其中的某一个步骤进行改动和变化，则依然需要重新完成其中的每一个步骤，无形中浪费了太多的工作时间。针对现实情况，ANSYS提供了APDL参数化设计语言来处理类似问题，通过APDL语言及UIDL语言或类似VB、VC编程语言开发应用界面，即可完成在ANSYS中的二次开发。二、本课题的目的（重点及拟解决的关键问题） 毕业设计是对机械专业学生在毕业前的一次全面训练，目的在于巩固和扩大学生在校所学的基础知识和专业知识，训练学生综合运用所学知识分析和解决问题的能力。是培养、锻炼学生独立工作能力和创新精神之最佳手段。毕业设计要求每个学生在工作过程中，要独立思考，刻苦钻研，有所创新、解决相关技术问题。通过毕业设计，使学生掌握塔式起重机的总体设计、吊臂的设计、整体稳定性计算等内容，为今后步入社会、走向工作岗位打下良好的基础。 塔机臂架作为塔机的工作装置,在塔机产品的设计内容中处于核心地位, 采用有限元分析的方法进行塔机臂架的设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计质量。我们只需借助通用有限元软件建立模型并进行仿真分析,就能真实地反映机械产品的尺寸外形特征和工作过程,并进行各种类型的力学分析,尽早发现设计缺陷,从而有效地缩短研发周期,降低生产成本,使产品的结构和性能更加合理。三、主要内容、研究方法、研究思路1、主要内容（1） 设计任务： 总体参数的选择（QTZ40级别） 结构形式（2） 总体设计 主要技术参数性能 设计原则 平衡重的计算 塔机的风力计算 整机倾翻稳定性的计算（3） 吊臂的设计和计算 吊臂的形式及尺寸（变截面）（双吊点） 吊臂的强度、稳定性及刚度验算（4） 设计要求 主要任务：学生应在指导教师指导下独立完成一项给定的设计任务，编写符合要求的设计说明书，并正确绘制机械与电气工程图纸，独立撰写一份毕业论文，并绘制有关图表。 知识要求：学生在毕业设计工作中，应综合运用多学科的理论、知识与技能，分析与解决工程问题。通过学习、钻研与实践，深化理论认识、扩展知识领域、延伸专业技能。 能力培养要求：学生应学会依据技术课题任务，完成资料的调研、收集、加工与整理，正确使用工具书；培养学生掌握有关工程设计的程序、方法与技术规范，提高工程设计计算、图纸绘制、编写技术文件的能力；培养学生掌握实验、测试等科学研究的基本方法；锻炼学生分析与解决工程实际问题的能力。 综合素质要求：通过毕业设计，学生应掌握正确的设计思想；培养学生严肃认真的科学态度和严谨求实的工作作风；在工程设计中，应能树立正确的生产观、经济观与全局观。 设计成果要求：凡给定的设计内容，包括说明书、计算书、图纸等必须完整，不得有未完的部分，不应出现缺页、少图纸现象。1） 对设计的全部内容，包括设计计算、机械构造、工作原理、整机布置等，均有清晰的了解。对设计过程、计算步骤有明确的概念，能用图纸完整的表达机械结构与工艺要求，有比较熟练的认识图纸能力。对运输、安装、使用等也有一定了解。2） 说明书、计算书内容要精练，表述要清楚，取材合理，取值合适，设计计算步骤正确，数学计算准确，各项说明要有依据，插图、表格及字迹均应工整、清楚、不得随意涂改。制图要符合机械机械制图标准，且清洁整齐。3） 对国内外塔式起重机情况有一般的了解，对各种塔式起重机有一定的分析、比较能力。2、 研究方法 （1）资料的准备 通过上网和毕业实习，搜集同类已研发产品相关资料，了解国内外塔式起重机总体设计和起升系统的设计的已研发的产品，借鉴这些产品的设计思路为自己的设计做准备。了解所做设计中的标准部件的相关信息，为以后设计做好准备。 （2）参数确定 根据所查资料，了解到起重机的相关参数，和对标准部件的了解，选择能免租条件的相关零件。根据传统设计方法并结合相似的产品结构进行具体的设计，在设计中确定个关节的合理尺寸和形状。整体和各个部件的形状和尺寸确定后，用二维作图工具（autoCAD等）绘制出各主要部件的图形图和总装图。明确产品的具体设计尺寸和形状。3、 研究思路 伴随着计算机技术的进步,目前国内外先进的机械产品设计制造都离不开有限元分析(Finite ElementAnalysis, FEA)计算,在工程设计和分析中受到越来越广泛的重视,其计算结果不仅详尽,更具可靠性。采用有限元分析的方法进行机械产品的设计计算将会极大提高设计效率、保证其设计质量。设计者只需借助通用有限元软件建立模型并进行仿真分析,就能真实地反映机械产品的尺寸外形特征和工作过程,并进行各种类型的力学分析,尽早发现设计缺陷,从而有效地缩短研发周期,降低生产成本,使产品的结构和性能更加合理。本文应用有限元软件对塔机总体及臂架结构进行快速校核分析。四、总体安排和进度（包括阶段性工作内容及完成日期）2013.3.25-2013.3.28 熟悉整理资料2013.3.29-2013.4.13 方案选择及总体设计2013.4.14-2013.4.20 绘制总图2013.4.21-2013.5.15 臂架设计2013.5.16-2013.6.5 绘制塔身装配及结构图纸2013.6.6-2013.6.19 绘制零件图纸2013.6.20-2013.6.21 准备论文及答辩五、主要参考文献1 哈尔滨建筑工程学院主编.工程起重机.北京：中国建筑工业出版社2 董刚、李建功主编.机械设计.机械工业出版社3 机械设计手册.化学工业出版社（5册）4 GB/T94621999 塔式起重机技术条件5 GB/T137521992 塔式起重机设计规范6 GB51441994 塔式起重机安全规程 7 邢静忠ANSYS应用实例与分析科学出版社2006 8 刘坤ANSYS有限元方法精解国防工业出版社2005 9GB/T94621999 塔式起重机设计条件 10 GB/T137521992 塔式起重机设计规范11 GB/T51441994 塔式起重机安全规程 12刘鸿文材料力学北京：高等教育出版社2002 13李柱，徐振高互换性与测量技术北京：高等教育出版社2002 14 张东升机械零件及建筑机械重庆：重庆大学出版社.200315 现行建筑机械规范大全北京：中国建筑工业出版社.199516 吴庆鸣，何小新工程机械设计武昌：武汉大学出版社.2006 17刘佩衡塔式起重机使用手册北京：机械工业出版社.2002 18 张质文，虞和谦等起重机设计手册北京：中国铁道出版社1997 19 顾迪民工程起重机北京：中国建筑工业出版社1988指导教师意见： 指导教师签名： 日期：教研室意见：教研室主任签名： 日期：系意见： 系领导签名： 日期： 系盖章
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