论文总字数：20445字

摘 要

门式起重机是完成装卸任务的重要设备，随着我国物流行业的快速发展，门式起重机的市场需求将越来越高，同时也要求其具备更高的工作效率与安全性等性能指标。门式起重机的金属构架为其主要承载部分，金属构架设计的合理与否，将对起重机的工作能力与安全可靠性产生直接影响。

针对我国许多中小型企业凭借经验设计的小型门式起重机经常存在局部结构强度刚度不足的现象，本文选用小型桁架门式起重机作为研究对象，结合设计任务与相关设计规范先对其总体进行设计，在此基础上分别对主梁桁架、支腿桁架等金属结构部分逐一进行计算与设计，最后利用ANSYS软件建立简化的金属桁架结构有限元模型，对在不同危险工况下的金属桁架结构进行静力学分析，以此来检验其刚度强度是否满足设计要求。

本文主要对小型桁架门式起重机的金属桁架结构部分的设计进行了一定研究，但愿能为小型门式起重机的设计提供一些建议。

关键词：门式起重机；结构设计；有限元分析

Abstract

Gantry crane is an important equipment to complete the loading and unloading task. With the rapid development of China's logistics industry, the market demand of gantry crane will be higher and higher, and it is also required to have higher performance indicators such as efficiency and safety. The metal frame of gantry crane is its main load-bearing part. The rationality of metal frame design will directly affect the working capacity and safety reliability of crane.

In view of the phenomenon that the strength and rigidity of the local structure of the small gantry crane designed by many small and medium-sized enterprises through experience are often insufficient, this paper selects the small truss gantry crane as the research object, and designs its overall structure in combination with the design task and relevant design specifications. On this basis, the main girder truss, leg truss and other metal structure parts are calculated one by one. At last, ANSYS software is used to build a simplified finite element model of metal truss structure, and static analysis of metal truss structure under different dangerous conditions is carried out to check whether its stiffness and strength meet the design requirements.

This paper mainly studies the design of the metal truss structure of the small truss gantry crane, hoping to provide some suggestions for the design of the small gantry crane.

Key Words：gantry crane；structural design；finite element analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 选题背景及意义 1

1.2 国内外门式起重机研究现状与发展趋势 1

1.3 研究内容 2

第2章 门式起重机各参数的确定 3

2.1 设计任务要求 3

2.2 基本参数的确定 3

2.3 工作级别的划分 4

2.3.1 起重机使用等级的划分 4

2.3.2 起重机起升载荷状态级别的划分 4

2.3.3 起重机整机工作级别的划分 5

2.4 金属材料的选定 5

2.5 桁架结构型式的确定 5

第3章 起重机桁架结构的设计计算与抗倾覆性校核 7

3.1 主梁桁架结构的参数确定 7

3.2 支腿桁架结构设计与参数确定 7

3.3 计算载荷的分析与计算 8

3.3.1 计算载荷的组合 8

3.3.2 金属桁架结构计算载荷的类型及计算 9

3.4 主梁各杆件的设计 13

3.5 支腿各杆件的设计 16

3.6 上、下横梁及支腿连接法兰板的设计与核算 18

3.7 整机抗倾覆性校核 20

第4章 起重机桁架结构的建模与有限元分析 22

4.1 桁架结构的建模过程 22

4.1.1 定义单元与材料属性 22

4.1.2 建立有限元模型 22

4.1.3 施加边界条件 23

4.2 危险工况的分析 23

4.3 各危险工况下的静力学分析 24

4.3.1 危险工况1下的刚度强度分析 24

4.3.2 危险工况2下的刚度强度分析 25

4.3.3 危险工况3下的刚度强度分析 26

4.3.4 危险工况4下的刚度强度分析 27

第5章 总结与展望 29

5.1 论文总结 29

5.2 不足之处与展望 29

参考文献 30

致 谢 31

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

门式起重机又被称为龙门吊，主要组成部分为：主梁支腿结构、大小车运行机构和电器系统。因其具有适应性强，作业范围大，货场利用率高，装卸货物效率高等特点，被广泛地应用于港口码头、露天厂矿、车站库厂、施工工地等作业场所。

近年来，随着我国经济的快速发展，物流业也因此得到了一个空前发展的机会，门式起重机作为物流业装卸货物机械化系统中重要的一环，是完成装卸搬运任务的主要设备。物流业的迅速发展，势必会引起门式起重机的市场需求不断提高，同时对其效率，耐用度以及可靠性等性能指标的要求越来越高^[1]。门式起重机承受载荷的主要部分是主梁和支腿等金属构架部分，所以说金属构架设计的合理性和安全可靠性，将直接决定起重机的工作能力和工作效率。而现在大多数中小型企业凭借经验来设计的小型门式起重机，常出现局部结构刚度强度不足的情况，从而引起门式起重机的倾覆^[2]。本文选用小型桁架门式起重机作为研究对象，对其主梁桁架与支腿桁架等金属结构进行计算与设计，并利用ANSYS软件对桁架的整体结构进行有限元分析，检验其刚度强度是否满足要求，以期为小型门式起重机的设计提供一定的现实意义。

1.2 国内外门式起重机研究现状与发展趋势

从公元前十年到现今，起重机械的设计与制造已经历了两千多年的发展，从传统的人力畜力驱动，到蒸汽驱动，再到如今的电力液压驱动，起重机的改进与创新离不开世界科学技术的发展。目前起重机的主要生产地为英、德、美、日等发达国家，其主要消费市场也同样集中在欧洲、北美洲以及亚洲^[3]。随着国际经济的全面复苏以及物流行业的快速发展，现代门式起重机的生产逐渐向着模块化，柔性化，智能化以及大型化的方向发展^[4]：

（1）模块化和系列化

随着计算机科学技术的发展，模块化设计逐渐代替整机设计被用于起重机械的设计开发，在设计时，通过不同模块的组合即可制造出不同类型并满足用户需求的起重机，在对起重机的某项性能进行优化时也仅需改进与之相关的几个模块，极大地减少了起重机的设计制造成本。德国的德马格公司采用模块化设计结合系列化生产，将产品的设计费用降低了12%，制造费用降低了45%，效益极为显著^[5]。王宗彦等在与广州起重机械有限公司技术中心合作中运用模块化等技术，实现了门式起重机系列产品的变型设计，显著提高产品的设计速度和设计质量^[6]。

（2）柔性化和集成化

柔性制造技术的发展，促使许多工厂逐步采用自动化物料搬运系统，在该系统中要求起重机能够实现信息检测、信号处理、指令执行等自动化动作，并能与其他生产设备有机地联系在一起，共同协作快速地完成搬运任务。美国的卡特彼勒公司在生产工艺流程以及产品入库流水线上引进了自动化物料搬运系统，极大地提高了物流作业效率^[7]。

（3）智能化、数字化和自动化

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