基于ANSYS的RTG40龙门架金属结构设计计算开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

轮胎式集装箱龙门起重机（RTG)是集装箱码头货场进行堆码作业的专用机械。它以轮胎支撑方式运行,用柴油发动机输出动力,完成堆场集装箱的装卸、堆码作业。轮胎式龙门起重机系统的优点有：可以有效地利用堆场，堆场建设费用相对较低，设备操作相对简单，设备维修和管理技术成熟。可采用直线行走自动控制装置实现行走轨迹自动控制，与计算机系统相连接，较易实现堆场作业自动化。随着港口集装箱吞吐量的增长，对装卸效率、经济效益要求的提高，以及现代科学技术的发展，轮胎式集装箱龙门起重机在不断发展。

轮胎式集装箱龙门起重机主要应用于沿海港口集装箱堆场进行堆码作业。除港口大量使用外，还运用于集装箱装卸火车、汽车和堆码作业。由于自动化技术的不断发展成熟，轮胎龙门起重机将实现无人控制，可以完成对集装箱自动堆垛、装卸和搬运，提高生产效率。

轮胎式集装箱门式起重机由门形支架（金属结构）、动力传动系统、起升机构、大车运行机构、小车运行机构及伸缩式吊具等组成。装有集装箱吊具的行走小车沿主梁轨道行走，进行集装箱装卸和堆码作业，轮胎式行走机构可使起重机在货场上行走，并可作90°直角转向，从一个货场转移到另一货场，作业灵活。

轮胎式集装箱门式起重机的金属结构由主梁、门腿和底梁等组成，各构件之间采用焊接连接或法兰连接。

(1)主梁

主梁为起重机的主要受力构件，采用箱形结构，小车行走轨道铺设在两根主梁上，其铺设位置有两种形式，一种是铺设在主梁截面的中心位置，通常称为正轨箱形梁；另一种是铺设在上翼缘板边缘一侧腹板上，被称为偏轨箱形梁布置。

(2)门腿结构

门腿一般采用箱形变截面结构。门腿平面内侧一般为平面，腿内空间大一些，有利于布置电气房和动力房。二支腿间一般采用连杆连接，以保证两主梁之间的尺寸和增加侧向刚性。

(3)底梁结构

底梁一般采用等截面箱形结构，与大车采用销轴连接，连接耳板采用厚板结构。为承受侧向力．在底梁与车轮平衡梁间加有抗剪块。

(4)轨道安装

轨道安装大都采用轨道压板式形式，采用T形螺栓拆装较方便。有的压板与轨道，轨道与底板间都衬有橡胶垫(以减少对主梁结构的冲击)，轨道采用无缝接头(可用焊接接头或整根)。

有的厂家采用钢轨与大梁直接焊接式，该种形式刚度较好，且能参与受力，免维修，但制造要求高。

(5)小车架

小车架一般为工字梁组合结构，两侧布置走道，四角悬挂平台，以进行滑轮等部件的维护保养。有的小车架上敷设高脚平台，起升绳在平台下穿过，布置简洁。

图2 金属结构组成

本文主要是设计轮胎式龙门起重机的金属结构，应用材料力学及结构力学的知识，分析轮胎式场桥RTG40主体金属结构受力，完成结构设计及强度、刚度和稳定性计算及校核。应用ANSYS软件,在系统里建模分析计算结构的强度、刚度、稳定性分析，并反馈设计。

2. 研究的基本内容与方案

设计（论文）主要内容：主要内容是利用大学期间所学力学知识，通过实习调研、查阅阅读文献资料及自学基础上，完成场桥主体金属结构设计及计算，具体有：

1. 按照毕业设计要求，完成相关外文资料翻译；文献资料阅读，按时间节点完成外文翻译；

2. 编写开题报告，并提供设计计算说明书；

3. 确定RTG的形式和几何尺寸，并对尺寸的合理性进行校核基础上，进行设计计算；

4. 应用材料力学及结构力学知识，分析轮胎式场桥RTG40主体金属结构受力，完成结构设计及强度、刚度和稳定性计算及校核；

5. 学习ANSYS知识,在系统里建模分析计算结构的强度、刚度、稳定性。

6. 完成RTG结构的CAD、三维建模；

设计技术参数：

RTG主要设计参数

概念解释(见附件）：

强度 构件截面材料或连接抵抗破坏的能力。强度计算是防止结构构件或连接因材料强度被超过而破坏的计算。静强度：当时；疲劳强度：疲劳破坏前所能承受的最大应力。

构建承受正应力时：；

构建承受剪力时：；

构件同时承受正应力和剪应力时：。

刚度 指材料或结构在受力时抵抗弹性变形的能力。是材料或结构弹性变形难易程度的表征。受弯结构的静态刚度以在规定的载荷作用于指定位置处的静态弹性变形值来表征，；动态刚度在满载情况下，钢丝绳绕组的下放悬吊长度相当于额定起升高度时，由系统在垂直方向的最低阶固有频率来表示，f≤[f]。

稳定性 指构件应有足够的保持原有平衡形态的能力。

1.轴心压杆的整体水平条件：；Φ为轴心压杆稳定系数，为考虑初始缺陷的安全系数

2.平面弯曲构件的整体稳定性条件：；为受弯构件的整体稳定性系数

3.受压应力，剪应力τ，局部压应力的平板局部稳定性条件：；为板局部稳定性许用应力

结构设计的基本准则及要求：

结构设计基本准则

机械设计的最终结果是以一定的结构形式表现出来的，按所设计的结构进行加工、装配，制造成最终的产品。所以，机械结构设计应满足作为产品的多方面要求，基本要求有功能、可靠性、工艺性、经济性和外观造型等方面的要求。此外，还应改善零件的受力，提高强度、刚度、精度和寿命。

1.实现预期功能的设计准则

2.满足强度要求的设计准则

3.满足刚度结构的设计准则

4.考虑加工工艺的设计准则

5.考虑装配的设计准则

6.考虑造型设计的准则

结构设计的基本要求

1.功能设计 满足主要机械功能要求，在技术上的具体化。如工作原理的实现、工作的可靠性、工艺、材料和装配等方面。

2.质量设计 兼顾各种要求和限制，提高产品的质量和性能价格比，它是现代工程设计的特征。具体为操作、美观、成本、安全、环保等众多其它要求和限制。

3.优化设计和创新设计 用结构设计变元等方法系统地构造优化设计空间，用创造性设计思维方法和其它科学方法进行优选和创新。

载荷及载荷组合(见附件）：

1.额定起升载荷：起重机起吊额定起重量时的总起升质量的重力。

2.自重载荷：起重机本身的结构、机械设备、电气设备以及装在起重机上的所有附属设备等质量的重力。

3.垂直运动引起的动载荷：

1）自重振动载荷 当货物起升离地时，或将悬吊在空中的部分货物突然卸除时，或悬吊在空中的货物下降制动时，起重机本身(主要是其金属结构)的自重将因出现振动而产生脉冲式增大或减小的动力响应，此自重振动载荷计算公式为：

式中，为自重振动载荷（N）；为自重载荷（N）；为起升冲击系数，取=1±a，0≤a≤0.1.

2）起升动载荷 当货物无约束地离开地面时，货物的惯性力将会使起升载荷出现动载增大的动力效应，公式为：

式中，为起升动载荷（N）；为额定起升载荷（N）；起升动载系数，不超过2.0。

3）突然卸载时的动载荷 ；

式中，为突然卸载冲击系数，计算公式，△m为突然卸除的部分起升质量（kg）；m为总起升质量（kg）；系数，对用抓斗或类似的慢速卸载装置的起重机取0.5，对用电磁盘或类似的快速卸载装置的起重机取1.0。

4）运行冲击载荷 起重机在不平的路面或轨道上运行时将发生的垂直冲击动力效应，公式：；式中为运行冲击系数，运行速度不超过0.4m/s时，取1.1，其他取1.3。

4.变速运动引起的载荷：

1）驱动机构加速引起的载荷 由驱动机构加速或减速、起重机意外停机或传动机构突然失效等原因在起重机中引起的惯性载荷。公式：

惯性力：

惯性力矩：

式中，为机构驱动加速动载系数；△F为引起加速运动的驱动力变化值（N）；△M为引起加速运动的驱动力矩变化值（N·M）；m为运动部件的质量（kg）；

a为变速运动的加速度（m/s^2）；J为运动部件对回转轴线的转动惯量（kg·m^2）；

ε为变速运动的角加速度（rad/s^2）。

2）水平惯性力 起重机或小车在水平面内进行纵向或横向运动启（制）动时，起重机或小车自身重量和总起升质量的水平惯性力，公式：；

式中，为主动轮与轨道之间的黏着力（N）；为机构驱动加速动载系数，取1.5；为起重机或小车自身重量和总起升质量（kg）；a为启（制）动时的运行加速度（m/s^2）。

5.位移和变形引起的载荷：由位移和变形引起的载荷有：由预应力产生的结构件变形和位移引起的载荷，由结构本身或安全限制器准许的极限范围内的偏斜以及起重机其他必要的补偿控制系统初始响应产生的位移引起的载荷，由于轨道的间距变化引起的载荷，由于轨道及起重机支承结构发生不均匀沉陷引起的载荷等。

6.偏斜运行时的水平侧向载荷：起重机偏斜运行时的水平侧向载荷是指装有车轮的起重机或小车在作稳定状态的纵向运行或横向移动时，发生在它的导向装置（例如车轮的轮缘或导向滚轮）上由于导向的反作用引起的一种偶然出现的载荷。它是由于驱动车轮的制造精度和安装误差、运行电动机特性不一致、运行轨道的安装误差或者沿两条运行轨道运行阻力的大小不一等因素，造成起重机偏斜运行而产生的垂直作用于车轮轮缘或水平导向滚轮上的载荷。

水平侧向载荷的大小与轮压、跨度、基距等很多因素有关，理论计算相当困难。在实际设计中，可由经验估算，公式：；

式中，为起重机承受侧向载荷一侧的端梁上与起重机基距（或有效伸距）有关的相应车轮经常出现的最大轮压之和（N），与小车位置有关；λ为水平侧向载荷系数，与起重机跨度和起重机基距（或有效伸距）的比值有关。

7.风载荷：露天使用的起重机应考虑风载荷的作用，并假定风载荷是沿起重机最不利的水平方向作用的静力载荷。起重机的风载荷分为工作状态风载荷和非工作状态风载荷。工作状态风载荷是指起重机在工作时应能承受的最大风力，非工作状态风载荷是指起重机在不工作时能承受的最大风力。公式：；

式中，为风压高度变化系数；C为风力系数；p为计算风压（N/m^2）；A为起重机构件或货物垂直于风向的实体迎风面积（m^2）。

8.碰撞载荷：指同一运行轨道上两相邻起重机之间碰撞或起重机与轨道端部缓冲止挡件碰撞时产生的载荷。公式：；

式中，为缓冲碰撞力（N）；为缓冲器碰撞弹性效应系数，与缓冲器特性有关。

9.倾翻水平力：对带有刚性升降导架的起重机，如果起重机在水平移动时受到水平方向的阻碍与限制，例如在起重机刚性导架中升降的悬吊货物、起重机的取物装置（吊具）或起重机刚性升降导架下端等与障碍物相碰撞，就会产生一个水平方向作用的、引起起重机（大车）或小车倾翻的力，即为倾翻水平力。

10.试验载荷：

静载试验载荷取1.25P，动载试验载荷取1.1P，其中P为额定起重量的重力。

在验算动载试验工况时，计算用的起升载荷公式为：；为动载试验载荷起升动载系数，计算公式为。

载荷组合：

1.无风正常工作情况；

2.有风正常工作情况；

3.特殊载荷作用情况。

5种组合作业工况：

a.静载工况:大车、小车都制动,小车位于跨中,起重量为额定起重量。

b.跨中纵移工况:大车突然制动,小车满载在跨中,小车制动。

c.跨中横移工况:小车突然制动,满载在跨中,大车制动。

d.端部纵移工况:小车满载在端部且制动,大车突然制动。

e.端部横移工况:小车满载在端部突然制动,大车制动。

选型：轮胎式门式起重机按主梁结构可以分为桁架梁和箱梁，前者使用角钢或工字钢焊接而成的结构形式，优点是造价低，自重轻，抗风性好。但是由于焊接点多和桁架自身的缺陷，具有挠度大，刚度小，可靠性相对较低，需要频繁检测焊点等缺点。适用于对安全要求较低，起重量较小的场地。而后者使用钢板焊接成箱式结构，具有安全性高，刚度大等特点。一般用于大吨位及超大吨位的门式起重机。同时，箱式主梁也具有造价高，自重大，抗风性较差等缺点。故本文采用箱式主梁进行设计。

建模分析：CAD进行结构绘图；ANSYS进行有限元分析，进行强度、刚度和稳定性的计算校验。

3. 研究计划与安排

第1-3周：明确设计内容，

第4-5周：根据主要参数，设计rtg的框架结构，进行cad绘图；

第6-7周：进行钢结构的强度计算，应用有限元分析，在ansys上进行分析；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 中华人民共和国国家标准gb/t3811-2008 起重机设计规范.中国标准出版社

[2] gb14783-2009轮胎式集装箱门式起重机 gb19912-2005轮胎式集装箱门式起重机安全规程

[3] 刘鸿文. 材料力学[m]. 高等教育出版社,2004