金属结构课程设计

现代机械工程基础实验1(机设) ——金属结构设计部分题目：现代工程基础实验金属结构设计院（部）：机电工程学院专业：机械工程及自动化班级：机械XXX姓名： XXXX学号： XXXXXXXXXX指导教师：王积永沈孝琴完成日期： 2012年6月9号目录任务书-----------------------------------------------------------------------------1 设计目的与要求-----------------------------------------------------------------2 确定起重臂结构方案-----------------------------------------------------------2 确定起重臂的计算简图及载荷-----------------------------------------------3 臂架内力组合与计算-----------------------------------------------------------6 截面选择与验算-----------------------------------------------------------------12 计算耳板焊缝--------------------------------------------------------------------17 设计总结--------------------------------------------------------------------------19 参考文献--------------------------------------------------------------------------20现代机械工程基础实验1(机设)任务书——金属结构设计部分课程：现代机械工程基础实验1(机设)班级：机械091-097（机设）任课教师：王积永沈孝芹一、实验目的：利用金属结构课程中所学的理论知识和方法对起重机的部件进行设计，达到巩固金属结构知识和提高学生进行金属结构设计、计算的能力。

二、实验任务：巩固所学金属结构的基础知识；了解钢结构件的基本设计方法及思路；掌握塔机的主要设计参数，完成起重臂等部件的设计、计算。

三、实验课题：塔式起重机主要金属结构部件（起重臂、平衡臂、塔身）的设计、计算。

四、实验要求：本实验要求学生以高度的责任感，严肃认真、一丝不苟的态度进行设计，充分发挥主观能动性，树立正确的设计思想和良好的工作作风，严禁抄袭和投机取巧。

同时，按以下要求进行设计：1、按照国家标淮和设计规范进行设计：塔式起重机设计规范 GB/T 13752-92；塔式起重机GB/T5031-2008；钢结构设计规范GB 50017-2003；塔式起重机安全规程GB 5144-2006；金属结构的相关知识。

2、进行塔式起重机平衡臂和起重臂的设计（要求平衡臂设计为实腹式、起重臂设计为桁架式），并进行整体稳定性和单肢稳定性的校核计算，具体数据见表格。

五、实验进度：序号主要内容时间备注1 熟悉设计内容、确定设计题目 6.4上午周一2 确定方案及绘制简图 6.4下午周一3 确定载荷、内力计算 6.5-6.6 周二、周三4 确定主肢、斜腹杆的材料；整体稳定性、局部稳定性验算；销轴、耳板的设计计算6.7 周四5 编写整理设计说明书 6.8 周五六、实验工作量：设计计算说明书一份指导教师：教研室主任：设 计 内 容主要结果一、课程设计的目的和要求金属结构课程设计是学生在学习金属结构课程后进行的一次比较全面和系统的训练。

通过这次训练，达到巩固已学过的金属结构知识和提高学生进行金属结构设计、计算分析的能力。

自升式塔式起重机是我国建筑工地上常用的施工机械之一。

对自升塔吊设计，包括机构部分、结构部分、液压顶升部分、安全装置部分等等。

其中结构部分的用钢量约占2/3左右。

所以合理地设计自升塔吊的结构部分对减轻机构重量、改善机械的工作性能、节约钢材等都具有重大的意义。

自升塔吊的结构设计包括以下几个部分:1.起重臂;2.平衡臂;3.塔帽;4.塔身;5.套架;6.底座;7.附着装置;8.工作平台及扶梯等。

本次课程设计分别是进行自升塔吊起重臂、平衡臂的结构设计。

二、起重臂结构方案的确定(QTZ100)1、起重臂长度、最大回转半径、上塔身宽度的确定： 最大回转半径R=32 m 起重机臂长L=30 m 上塔身宽度B=2.3 m2、 起重臂截面形式根据受力的构造要求而定，自升塔吊起重臂截面多采用格构式等三角形的截面型式，上弦采用圆钢管或方管，下弦采用两个箱形截面，每个箱形截面可由两个角钢(或槽钢、钢板等) 焊成，兼作小车轨道用(图1)。

3、 起重臂的截面尺寸截面高度和宽度是根据强度、刚度、稳定和构造要求确定。

121~301=L H ∴ 取=LH 201L=30 m ∴ H=2 mL=30 m B=2.3 m R=32 mH=2 m图1 起重臂截面型式设 计 内 容主要结果4、起重臂的运输单元考虑到运输条件和原材料长度，将起重臂做成各个节段(图2)。

各节段在工厂做好后，送到工地，在工地上将各节段用销轴相连，拼装成整体的起重臂，然后再和塔身等其他部件装配成塔吊。

考虑到标准化，将起重臂的中间节段做成标准节段，以利加工制造。

5、吊点位置的确定。

吊点将臂架分为两个部分，即悬臂部分1L 和跨中部分2L ，悬臂部分将产生最大负弯矩，而跨中部分则将产生最大正弯矩。

如果1L 过大，则悬臂部分的负弯矩将比跨中的正弯矩为大，截面可能由悬臂部分控制。

如果1L 过小，则悬臂部分的负弯矩将比跨中的正弯矩小，截面可能由跨中部分控制。

由于起重臂截面往往设计成对x-x 轴不对称(图1)，因此负弯矩和正弯矩对截面应力的影响并不相同，故不能简单地按弯矩条件来选择吊点的合理位置，通常取21L L =0.4~0.7。

取L 1=9 m L 2=21 m三、起重臂的计算简图及载荷的确定1、 计算简图根据总体布置确定臂架的计算简图。

在起升平面(即竖直平面)内，作为伸臂梁计算(图3)；在回转平面(即水平平面)内，作为悬臂梁计算(图4)。

L 1=9 m L 2=21 m图2 起重臂(单位mm)设 计 内 容主要结果图3 起升平面内的计算简图 图4 回转平面内的计算简图 2、载荷组合本塔吊属于中等工作类型，故可不验算钢结构的疲劳强度，载荷组合为： 自重+最大额定吊重+工作状态风载荷(风向垂直臂架)+急剧惯性力或其他水平力; 3、载荷的确定① 臂架自重和小车移动机构的重量。

臂架自重：在设计开始时可参照同类型结构进行初步估计，建议初估臂架自重为5t ；然后再根据设计进行校核和修改。

小车移动机构重量:建议初估为0.62 t 。

② 吊重:包括起重小车、吊钩及所吊货物的重量，吊重是移动载荷。

由设计参数可知：吊钩、小车的质量：0.78 t 和0.42 t 。

臂端起重量：5t 。

最大起重量及幅度：10 t 、21 m 。

所吊货物是沿臂架移动且数值变化的载荷，其数值的变化要满足要求，即起重力矩150 t ·m 。

③ 风载荷: 按照我国《塔式起重机设计规范》(GB/T13752-92)进行计算。

a.臂架受风载荷w FAP C F w w w =式中:w C ——风力系数。

臂架为三角形结构，取1.3;w P ——计算风压，工作状态取250Pa(N/㎡); A ——迎风面积。

21A A A η+=其中:1A ——前片结构迎风面积(㎡)， 111L A w A =1w 为结构充实率，对于桁架取0. 4;2A ——后片结构迎风面积(㎡)， 222L A w A =2w 为结构充实率，对于桁架取0.4;1L A 或2L A 为前后片外形轮廓尺寸，即L H A L ⋅= (图5);η——前片对后片的挡风折减系数，与前片桁架充实率w 以及两片桁架间隔比B/H 有关，查表1获取。

图 5 桁架挡风折减系数表 7-1 η值∴: A 1=0.4⨯2⨯9=7.2 mA 2=0.4⨯2⨯21=16.8 m A=7.2+0.4⨯16.8=13.92 m F w =1.3⨯250⨯13.92=4524 N 假定风载荷沿臂架均匀分布，即LF q w =风，作用于水平面。

LF q w =风=m30n 4524=150.8 n ·mA 1=7.2 m A 2=16.8 m A=13.92mF w =4524 N风q =150.8 n ·mb.吊重受风载荷'w F'wF 按额定起重量重力的3%计算，但其值不小于500N 。

F '1w =0.03⨯5⨯9.8⨯1000=1470 N F '2w =0.03⨯9.8⨯10⨯1000=2940 N④ 其他水平力 作用在回转平面内除风载荷外，还有回转惯性力以及起吊时由于钢丝绳倾斜引起的水平力等，可近似地取Q T 1.0=，式中Q 为吊重。

T 1=0.1⨯5⨯9.8⨯1000=4900 NT 2=0.1⨯10⨯9.8⨯1000=9800 N四、臂架的内力计算及内力组合1. 臂架的计算(1)吊重位于最大回转半径，所吊货物重量为5t ，吊钩和小车重量为1.2t 。

a 、在起升平面内。

求各支座反力：∑x F =0 0cos -b =∂⨯F F ax∑y F =0 0--ql -sin ay =+∂⨯G F F F b 0=M0sin -3.3212=⨯∂⨯⨯++ab B l F G Fl ql解得：KN F ax 4.193= KN F ay 1.23= KN F b 9.206=F '1w =1470 N F '2w =2940 NT 1=4900 N T 2=9800 NKNF ax 4.193=KNF ay 1.23=KNF b 9.206=轴力图：弯矩图：b 、在回转平面内：同理，由力的平衡方程求的：0=AX F KN F AY 3.16= M KN M ⋅=3.420 轴力图：弯矩图：=AX F KNF AY 3.16=MKN M ⋅=3.420（2）吊重位于最大幅度处，所吊货物重量为10t ，吊钩、小车重量为1.2t 。

∑x F =0 0cos -b =∂⨯F F ax ∑y F =0 0-sin '=∂+G F F b ay 0=M0sin -3.321'2=⨯∂⨯⨯+ab B l F G ql解得：KN F AX 3.190= KN F AY 4.25= KN F AY 4.25= 轴力图：弯矩图：b 、在回转平面内：KN F AX 3.190=KN F AY 4.25=KNF AY 4.25=设 计 内 容主要结果 同理求的： 0=AX F KN F AY 21.2= M KN M ⋅=562.7 轴力图：弯矩图：(3) 小车轮压对起重臂下弦杆产生的局部弯矩(10)。