摘 要

随着计算机技术的飞速发展，传统的机械设计和制造方法逐渐被新的方法所取代。目前产品开发的主流技术中包括以CAD和CAE软件为核心的机械设计与制造技术。本文在MQ5040单臂架门座式起重机臂架结构的设计之中尝试运用CAD和CAE软件，主要设计内容包含以下几个方面：

（1）完成了MQ5040单臂架门座式起重机的总体设计。包括：确定四大机构的布置形式并对起重机的主要金属结构进行选型，进行货物水平位移补偿与臂架自重平衡系统的设计，校核轮压与整机稳定性。

（2）完成了MQ5040单臂架门座式起重机臂架结构的设计。包括：确定臂架的桁架结构型式及腹杆体系，计算弦杆和腹杆的相关参数。

（3）建立了臂架结构的三维模型并对其进行了有限元分析。首先利用SOLIDWORKS软件建立了臂架系统的三维模型，然后利用 ANSYS软件对臂架结构进行静力学分析，得到臂架系统整体应力、应变及位移，并对其中危险截面的杆件的强度、静刚度进行校核。

（4）进行了环保性和经济性的评估，介绍了一些提高起重机环保性的措施，论述了降低设计成本的方法。

本文的特色：尝试运用CAD/CAE技术辅助完成起重机臂架结构的设计，最终结果显示基于SOLIDWORKS、ANSYS的起重机设计方法，能有效提高设计效率、延长起重机使用寿命并优化起重机性能。

关键词：门座起重机；臂架结构； SOLIDWORKS；ANSYS

Abstract

Nowadays, a variety of mechanical design and manufacturing methods emerge due to the rapid development of computer technology. Those mechanical design and manufacturing technology that use CAD and CAE as the core has gradually become one of the mainstream product development technology. In this paper, modern CAD / CAE technology is applied to the design of MQ5040 single-arm portal crane boom structure, which mainly includes the following aspects:

(1)We have completed the overall design of the single-arm portal crane. Including: defining the layout of the four institutions and the selection of metal structure, designing the horizontal displacement compensation of the cargo and self - weight balance compensation for boom system, checking wheel pressure and machine stability.

(2)We also complete the design of the boom structure of the single-arm portal crane. Including: determining the type of the truss structure and the web system of the boom, and calculating the relevant parameters of the chord and the web.

(3)To carry out the result of finite element analysis, the three-dimensional model of the boom structure is established. Firstly, using SOLIDEORKS to establish three-dimensional model; Then, the structural static analysis of the boom system is carried out by ANSYS, we can know the stress, strain and displacement of the bars and check out if the strength and static stiffness of the component can fit all demand.

(4) The environmental and economic evaluation of the product was introduced, and some measures to improve the environmental protection of the crane were introduced. The cost of the design was also discussed.

Key Words：portal crane；boom structure； SOLIDWORKS；ANSYS

目 录

第1章 绪论 1

1.1 门座式起重机概述 1

1.2 设计的目的及意义 3

1.3 国内外研究现状 3

1.4 设计的基本内容 5

第2章 MQ5040门座式起重机总体计算 7

2.1 主要设计技术参数 7

2.2 主要工作机构和金属结构的形式 9

2.2.1 机构组成及布置形式 9

2.2.2 金属结构选型 11

2.3臂架系统总体设计计算 12

2.3.1 货物水平位移补偿设计 12

2.3.2 臂架自重平衡 15

2.4 载荷计算及载荷组合 16

2.4.1 计算载荷 17

2.4.2 载荷组合 19

2.5 轮压计算 23

2.5.1 支承反力计算 23

2.5.2 轮压校核 26

2.6 起重机抗倾覆稳定性 27

2.7 抗风防滑安全性计算 30

2.8 本章小结 31

第3章 MQ5040门座式起重机臂架结构设计 32

3.1 确定臂架结构型式 32

3.1.1 桁架的构造特点和应用 32

3.1.2 桁架的外形和腹杆体系 33

3.1.3 桁架主要参数选择 33

3.1.4 桁架杆件的内力计算 34

3.1.5 杆件的截面形式 34

3.2 工作载荷 35

3.3 计算工况 35

3.4 本章小结 37

第4章 臂架结构三维建模与有限元分析 38

4.1 基于SolidWorks的臂架结构三维建模 38

4.2 臂架结构有限元分析 40

第5章 环境影响及经济性分析 44

5.1 环境影响分析 44

5.2 经济性分析 44

5.3本章小结 45

第6章 总结与展望 46

6.1 全文总结 46

6.2 展望 47

致 谢 48

参考文献 49

第1章 绪论

1.1 门座式起重机概述

门座起重机的发展与港口的繁荣有着密切的联系。1890年，固定式可旋转臂架起重机第一次被尝试安装在半门座上，成为港用半门座起重机的鼻祖。在二战之后，物流运输的需求逐渐增多，门座起重机得到了迅速的发展；到了近现代随着使用要求的提高，门座起重机趋向于向自动化方向发展；现如今，门座起重机已经逐渐成为一款成熟的港口起重运输机械^[1]。

现在港口最常见的起重机械主要有岸桥起重机、集装箱门式起重机、集装箱正面吊和门座起重机。可以说，门座起重机集合了其他三种常用起重机械设备的优点，具体表现在：

（1）岸桥起重机如图1.1是作业在港口前沿进行货物装卸的主要机械设备，这点和门座起重机一样，但门座起重机更加灵活，机动性更强，可以实现货物的回转，极大地增大了起重机的工作范围，与此同时门座起重机的性价比比岸桥起重机要高得多，因此门座起重机在市场上适用性更强，更具竞争优势。