附着式塔吊结构模型设计与制作Word文档下载推荐.docx
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该方案的优点是总体结构简单,质量较轻,符合低碳环保的要求,但该方案也存在以下的缺点:
首先三角形截面塔身稳定性相对较差,在加载的过程中,容易倾斜翻到;
其次塔身结构制作工艺相对复杂。
方案二:
在该方案中,我们结合现实中的塔吊,并且考虑到竞赛的要求,设计了如下的塔吊模型:
图方案二机构设计图
在该方案中,我们将塔吊的塔身截面设计成矩形,而悬臂梁截面仍采用三角形。
这个方案的相比于第一个方案的塔身稳定性更高,不容易因失稳破坏,而矩形截面更容易在测试加载的时候固定,实际制作相对简单。
经过上面方案的设计与比较它们的优缺点,我们最终选择了方案二,采用矩形截面的塔身和三角形截面斜拉式悬臂结构的塔吊。
方案的构思
方案的构思主要包括以下几个方面:
(1)以塔身框架结构和斜拉式悬臂结构为基本受力构件,通过增设支撑来提高结构的整体刚度和稳定性;
(2)塔身框架结构:
以立柱和斜撑组成主受力框架;
斜拉式悬臂结构:
三角形受力框架通过梁及小斜撑进行连接,并通过绳索进行斜拉和固定,增强模型的承载能力;
(3)将模型简化,采用有限元的方法,运用ANSYS软件对简化的模型进行初步的计算与优化,对比不同截面尺寸、支撑位置等对结构力学特性的影响,从而选择最佳的方案;
(4)充分考虑铅发丝线的利用,在方案制作完成后,将铅发丝线缠绕在支架结构模型四周,起到类似于螺旋箍筋的作用,增加支架结构强度和稳定性。
结构选型与创意特色
(1)结构基本构架为塔身框架结构和斜拉式悬臂结构,通过增设支撑提高模型的整体稳定性和刚度,通过铅发丝线缠绕支架起到加强其稳定性和强度作用;
(2)考虑到加载的需要,将塔身框架制作成以四根立柱为主受力杆,并加上斜撑,塔身截面为矩形;
斜拉式悬臂结构以三根横杆为主受力杆,为了较好地处理悬挑部分受弯矩作用产生较大的挠度,我们设计了斜拉式绳索,将弯矩尽可能转化为拉,压力而运用白卡纸的抗拉压能力,使白卡纸的性能得到充分的发挥,同时将各构件组合成众多的三角形,也增加了结构的整体稳定性。
(3)主要受力立柱和横杆分别采用圆形截面,直径1.8mm,卡纸层数都为为4层;
斜撑采用圆形截面,截面尺寸是,卡纸层数为3层,构件采用矩形截面,截面尺寸分别为×
卡纸层数为2层。
(4)各节点通过端点处延伸纸条来粘结,使接触面积大且节点与杆件更加一体化,进而保证模型具有更好的刚度和稳定性。
(5)结构外形尺寸和加载需求尺寸均满足组委会要求。
2、设计方案与结构计算
考虑到本模型结构为多重超静定结构,因此采用ANSYS有限元软件对结构进行模拟分析。
模型结构图
通过选型确定的塔吊基本结构如图所示:
图模型模拟实物正、反面图
基本假设
(1)假定材料均为均质材料;
(2)假定连接节点均为刚节点;
(3)忽略杆件加工过程中的质量差异和初始变形;
材料参数
根据网上查阅资料,确定白卡纸的性能参数如表1、2所示。
表白卡纸弹性模量
种类
层数
弹性模量
泊松比
质量密度
白卡纸
1
57MPa
2
149MPa
3
310MPa
4
460MPa
表白卡纸极限应力
层厚
拉应力
压应力
MPa
ANSYS分析计算
根据本次比赛规则,荷载只有竖向荷载,考虑到结构尺寸所能承受荷载的能力,需对本结构进行受力分析,在进行荷载分析时将荷载简化为三个集中力,通过计算来对相对薄弱部分作相应的加固,使得材料得到充分合理的利用,并经过ANSYS软件的分析与优化,选择最佳的方案。
模型A点配重载荷5Kg,B点1Kg载荷,C点5Kg极限载荷。
结构建模
图.结构建模图
上图模型是采用有限元的方法通过ANSYS软件建立的,由左到右各加载点分别加载:
49N,,49,根据实际的要求,我们在底面和塔身与悬臂梁结合的部分采用了全约束,中间采用了竖直方向和水平方向的约束。
然后我们通过过软件的模拟分析和计算,可得结构的位移变形图、应力图和模型的总质量等相应的信息,通过不同的截面尺寸和斜撑的不同位置,我们可以从中选取最优的方案。
塔吊变形、位移、应力分析
(1)变形分析
由变形模拟结果可知,该塔吊模型加载后的变形主要是垂直方向的挠度,拟采用在悬臂梁上加上绳索的方式加强横梁刚度(本次模拟中不计绳索拉力,若变形满足要求,则加上绳索后变形会更小)。
图塔吊变形
(2)位移分析
由图可以看到,在加完极限载荷后,沿竖直方向的位移变形情况。
模拟结果显示竖直方向上的最大位移是,组委会设置的条件是竖直位移量超过了100mm则加载失败,因此该位移在要求范围内,考虑到加工误差和工艺水平的影响,以及后期在塔吊模型上加上绳索加强刚度,该模型可以符合加载要求。
由水平方向位移模拟结果(图)可知,极限加载后的横向位移的最大值为76.112mm,组委会设置的加载失败条件为横向最大位移超过100mm,我们设计的塔吊模拟结果满足加载条件。
图沿竖直方向的位移模拟
图沿水平方向的位移模拟
经过对竖直和水平方向位移的模拟分析,得到该模型最大位移量是,小于组委会给的100mm位移偏移量,虽然受制作工艺与误差的限制,实际位移可能增加,但是在模型上加一些有利的措施(如在塔身的部位用铅发丝线缠绕扎进),可以使模型的整体刚度得到加强,因此该模型可以满足设计要求。
(3)应力分析
图.应力计算
由ANSYS软件模拟的应力结果可知,结构所受的最大应力是,而对比表中白卡纸的极限应力可知,该模型所受的最大应力在限定范围内,符合设计要求。
而该图像也将结构各部分所受的应力情况表示出来了,可根据应力的分布情况进一步优化结构,使结构模型在满足强度要求的同时质量最轻。
模型质量的计算
图质量模拟图
通过ANSYS软件计算该设计模型的质量为1.15kg,考虑到制作过程中需要用乳白胶进行粘合,所以整体的质量会比模拟的大。
3.构造设计
主要构件设计
根据组委会的要求,本模型以塔身框架结构和斜拉式悬臂结构为基本受力模型,塔身结构和悬臂梁结构由铅发丝线绑紧相连,各自之间通过增设斜撑来提高结构的整体刚度和稳定性,以立柱和横杆为主受力构件,塔身的截面形状是矩形,悬臂梁的截面是三角形;
考虑到悬臂梁梁受到很大的竖向载荷,于是在塔身的顶端增加绳索,减少悬臂梁所受的弯矩,从而减小横梁的垂直挠度。
具体构件指标如表8所示。
先用有限元方法建立模型分析,然后运用ANSYS软件对设计方案进行优化,对比不同截面尺寸、不同斜撑位置等对结构的受力影响,对方案进行优化。
表主要构件材料表
标号
尺寸(mm)
长度(mm)
数量(层数)
立柱
1150
4(4)
悬臂梁
3(4)
悬臂梁连接件
×
95
21
(2)
塔身连接件
140
20
(2)
大斜撑
285
8(3)
小斜撑
150
2(3)
节点连接设计
主杆件和斜撑相交的节点由于杆在加载时会引起较大的剪力,所以在连接节点部位时,斜撑和杆之间都通过端点处延伸纸条来粘结,这样连接不但使得接触面积增大而且使得节点与杆件更加一体化,从而保证具有良好的刚度和较大的强度。
节点连接模拟图如图所示。
图节点连接详图
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