本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計畢 業(yè) 設(shè) 計汽車起重機起重臂關(guān)鍵件設(shè)計學(xué)生姓名： 學(xué)號： 系 部： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 機械工程系機械設(shè)計制造及其自動化誠信聲明 本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。本人簽名： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書設(shè)計（論文）題目： 汽車起重機起重臂關(guān)鍵件設(shè)計 系部： 機械工程 專業(yè)： 機械制造 學(xué)號： 學(xué)生： 指導(dǎo)教師： 專業(yè)負(fù)責(zé)人： 1．設(shè)計（論文）的主要任務(wù)及目標(biāo)本課題通過 solidworks 三維實體造型軟件對起重機卷筒和卷筒軸這兩個關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模，運用有限元分析軟件——cosmoswork 軟件對所建的零件模型進(jìn)行優(yōu)化分析，通過分析結(jié)果來判定零件設(shè)計的合理性。2．設(shè)計（論文）的基本要求和內(nèi)容（1） 掌握 solidworks 與 cosmoswork 軟件的使用方法；（2） 了解有限元分析的方法及意義；（3） 了解機械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計方法；（4） 完成起重機卷筒和卷筒軸的建模與分析；（5） 完成相應(yīng)的工程圖（6） 畢業(yè)設(shè)計說明書；（7）答辯用 PPT演示幻燈片一份；（8）其他校、系規(guī)定內(nèi)容。3．主要參考文獻(xiàn)[1]成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.[2]江洪，王智等. SolidWorks 有限元分析實例解析 [M] . 北京：清華大學(xué)出版社.2007。[3]林翔，謝永奇. SolidWorks 2004 基礎(chǔ)教程[M] .北京：清華大學(xué)出版社.2004。[4]張質(zhì)文等. 起重機設(shè)計手冊[M] .北京：鐵道出版社.1998。[5]紀(jì)明剛，陳國定。機械設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,20074．進(jìn)度安排設(shè)計（論文）各階段名稱 起 止 日 期1 查閱相關(guān)材料，撰寫開題報告 2014/3/9 之前2 掌握 solidworks 與 cosmoswork 軟件的使用方法 2014/3/10 到 2014/4/153 完成起重機卷筒和卷筒軸的建模與分析 2014/4/16 到 2014/5/164 完成相應(yīng)的工程圖設(shè)計說明書等整體設(shè)計 2014/5/17 到 2014/5/315 校訂論文，外文翻譯，論文裝訂，PPT 制作 2014/6.1 到 2014/6/20汽車起重機關(guān)鍵件的設(shè)計及其優(yōu)化摘要：近兩年，我國的起重機發(fā)展迅速，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛，但與世界先進(jìn)水平還有一定的差距，主要原因是國內(nèi)配套零部件落后，材質(zhì)差，再有就是制造工藝水平低。本文對 QY20B 汽車起重機的設(shè)計做了研究，就汽車起重機整車做了大概的分析和論述，就汽車起重機卷筒機構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，對于中、小型汽車起重機的發(fā)展具有一定的積極意義。solidworks 軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點，這使得 SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維 CAD 解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。本設(shè)計通過運用 solidworks軟件對卷筒，卷軸建模，運用有有限元分析設(shè)計合理性關(guān)鍵字: 汽車起重機，卷筒機構(gòu)，汽車起重機，solidworks，有限元分析The Design and Optimization for Key Components of CraneAbstract：In the recent two years, our country hoist crane development rapid, in each domain application also day by day widespread, but also has the certain disparity with the world advanced level, the main reason is the domestic necessary spare part backward, material quality bad, again has is makes the technological level to be low.This article has done the research to the QY20B autohoist design, the autohoist entire vehicle has made the general analysis and the elaboration, the autohoist rotation organization has carried on the design, , regarding the center, the small autohoist development had the certain positive sense.Solidworks software, powerful component. Solidworks has a powerful, easy to learn and easy to use and technological innovation three characteristics, this makes Solidworks leading, the mainstream of 3 d CAD solutions. SolidWorks can provide different design scheme, reduce errors in the design process and improve product quality. Finite element analysis is a simple question instead of again after solving the complicated problem. This design by using solidworks software to drum, scroll modeling, the finite element analysis and design are reasonableKey words: Autohoist reel mechanism Crane truck Solidworks The finite element analysisI目 錄1 緒 論 ---------------------------------------------------------------11.1 概況 -----------------------------------------------------------------11.2 國內(nèi)汽車起重機發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 ------------------------------------11.3 國外汽車起重機發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 -------------------------------------21.4 汽車起重機產(chǎn)品的發(fā)展趨勢 --------------------------------------------31.5 SolidWorks 軟件簡介 --------------------------------------------------41.6 有限元法的基礎(chǔ)理論和軟件介紹 ----------------------------------------51.6.1 有限元法的提出和應(yīng)用 ----------------------------------------------61.6.2 有限元法的優(yōu)越性與局限性 -----------------------------------------61.7 課題任務(wù) -------------------------------------------------------------72 卷筒的設(shè)計計算及強度校核 ----------------------------------------------82.1 卷筒的結(jié)構(gòu)與材料 ----------------------------------------------------82.2 卷筒的鋼絲繩 --------------------------------------------------------82.3 卷筒的主要尺寸 ------------------------------------------------------92.3.1 卷筒直徑 D ---------------------------------------------------------92.3.2 卷筒的長度 L -------------------------------------------------------92.3.3 卷筒的厚度 --------------------------------------------------------102.4 滾筒體受力分析 -----------------------------------------------------102.5 滾筒強度校核 --------------------------------------------------------113 軸的設(shè)計計算及強度校核 -----------------------------------------------123.1 按扭矩初算軸徑 ------------------------------------------------------123.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 --------------------------------------------------------133.3 軸的受力分析 --------------------------------------------------------143.4 輸入軸鍵連接的選擇 --------------------------------------------------153.5 聯(lián)軸器的選擇 --------------------------------------------------------154 Solidworks 三維實體設(shè)計 -----------------------------------------------164.1 Solidworks 軟件的特點 ----------------------------------------------164.2 Solidworks 在本設(shè)計的應(yīng)用 -------------------------------------------165 有限元分析 ------------------------------------------------------------21II5.1 卷筒的有限元建模與靜態(tài)分析 ------------------------------------------215.1.1 卷筒的載荷分析 ----------------------------------------------------215.1.2 有限元模型建立 ----------------------------------------------------215.2 卷筒軸的有限元建模與靜態(tài)分析 --------------------------------------265.2.1 結(jié)構(gòu)模型 --------------------------------------------------------265.2.2 邊界條件的處理 --------------------------------------------------265.2.3 材料定義 --------------------------------------------------------275.2.4 網(wǎng)格的劃分和控制 ------------------------------------------------275.2.5 運行分析和觀察結(jié)果 ----------------------------------------------27結(jié) 論 ----------------------------------------------------------------30參考文獻(xiàn) ---------------------------------------------------------------31致 謝 ---------------------------------------------------------------3111 緒 論1.1 概況我的課題是研究汽車起重機起重臂上的專用零部件。卷筒與卷軸。卷筒用以收放鋼絲繩，把原動機的驅(qū)動力傳遞給鋼絲繩，并將原動機的回轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。汽車起重機的工作原理：在起重臂里面的下面有一個轉(zhuǎn)動卷筒，上面繞鋼絲繩，鋼絲繩通過在下一節(jié)臂頂端上的滑輪，將上一節(jié)起重臂拉出去，依此類推?？s回時，卷筒倒轉(zhuǎn)回收鋼絲繩，起重臂在自重作用下回縮。這個轉(zhuǎn)動卷筒采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，因此能看到兩根油管，但千萬別當(dāng)成油缸。本課題通過 solidworks 三維實體造型軟件對起重機卷筒和卷筒軸這兩個關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模，運用有限元分析軟件——cosmoswork 軟件對所建的零件模型進(jìn)行優(yōu)化分析，通過分析結(jié)果來判定零件設(shè)計的合理性 。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。1.2 國內(nèi)汽車起重機發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，我國的基礎(chǔ)建設(shè)力度正逐漸加大，道路交通，機場，港口，水利水電，市政建設(shè)等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)規(guī)模也越來越大，市場汽車起重機的需求也隨之增加。中國的汽車起重機誕生于上世紀(jì)的 10 年代，經(jīng)過了近 30 年的發(fā)展，期間有過3 次主要的技術(shù)改進(jìn)，分別是 70 年代引進(jìn)蘇聯(lián)的技術(shù)，80 年代引進(jìn)日本的技術(shù)，90年代引進(jìn)德國的技術(shù)。但是總體來說，中國的汽車起重機產(chǎn)業(yè)始終走著自主創(chuàng)新的道路，有著自己清晰的發(fā)展脈絡(luò)，尤其是進(jìn)幾年，中國的汽車式起重機產(chǎn)業(yè)取得了長足的發(fā)展，雖然與國外相比還有一定的差距，但是這個差距正在逐漸的縮小。而且我國目前在中小噸位的汽車式起重機的性能已經(jīng)完好，能夠滿足現(xiàn)實生產(chǎn)的需求。在不久的將來，我國的汽車式起重機行業(yè)一定會發(fā)展成為一個發(fā)展穩(wěn)定，市場化程度高的成熟產(chǎn)業(yè)。 中國汽車式起重機已經(jīng)大量使用ＰＬＣ可編程集成控制技術(shù)，帶有總線接口的液壓閥塊，液壓馬達(dá)，油泵等控制和執(zhí)行元件已較為成熟，液壓和電器已實現(xiàn)了緊密的結(jié)合?？赏ㄟ^軟件實現(xiàn)控制性能的調(diào)整，大幅度簡化控制系統(tǒng)，減少液壓元件，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具備了實現(xiàn)故障自動診斷，遠(yuǎn)程控制的能力。 2當(dāng)前我國新一代汽車起重機產(chǎn)品，起重作業(yè)的操作方式，大面積應(yīng)用先導(dǎo)比例控制，具有良好的微調(diào)性能和精控性能，操作力小，不易疲勞。通過先導(dǎo)比例手柄實現(xiàn)比例輸送多種負(fù)荷的無級調(diào)速，有效防止起重作業(yè)時的二次下滑現(xiàn)象，極大的提高了起重作業(yè)的安全性、可靠性和作業(yè)效率。 部分大型汽車式起重機還在伸縮臂上使用了單缸插銷的伸縮技術(shù)，通過液壓銷作用，以單個液壓油缸可完成多節(jié)伸臂的運動，并達(dá)到各種工況的程序控制和自動伸縮，改變了以往不能油缸加內(nèi)部繩排的作業(yè)方式，使起重機相對更輕，拓展了起重機向更高工作高度發(fā)展的空間。 在走向國際市場的過程中，我國汽車式起重機產(chǎn)業(yè)近幾年品質(zhì)水平的快速提高，也得到了國際擁護(hù)的高度肯定，由于產(chǎn)品使用規(guī)范，用戶的專業(yè)素質(zhì)較高，出口產(chǎn)品的質(zhì)量反饋比在國內(nèi)有了明顯的減少，產(chǎn)品反映較好。這都為中國汽車式起重機行業(yè)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 我國的汽車式起重機的生產(chǎn)企業(yè)要想在本領(lǐng)域生存與發(fā)展，需要做的事情還很多，由于市場需求的增大，也要求生產(chǎn)企業(yè)不斷創(chuàng)新，在保證起重機性能的基礎(chǔ)上還要不斷開發(fā)出更大噸位的新產(chǎn)品，滿足市場的需求。只有這樣才能從市場中獲得養(yǎng)分和活力使自己生存，在生存中發(fā)展，在發(fā)展中壯大。1.3 國外汽車起重機發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢國外工程起重機從整體情況分析，領(lǐng)先國內(nèi) 10-20 年(不同類型產(chǎn)品有所不同)。隨著國外經(jīng)濟發(fā)展速度趨于平穩(wěn)，工程起重機向智能、高性能、靈活、適應(yīng)性強、多功能方向發(fā)展。25t 以下基本上不生產(chǎn)，產(chǎn)品向高附加值、大噸位發(fā)展，如利勃海爾公司汽車起重機基本退出市場，目前市場主導(dǎo)產(chǎn)品為全地面起重機，最小噸位是35t，而 80t 和 160t 是主導(dǎo)產(chǎn)品；格魯夫公司：主導(dǎo)產(chǎn)品是全地面起重機和輪胎起重機，最小噸位是 25t；多田野公司：汽車起重機只占 20%，主導(dǎo)產(chǎn)品是全地面起重機和輪胎起重機，最小噸位 16t。因此行業(yè)配套也與國內(nèi)有所不同：1） 下車主要是 300kW 以上柴油大功率發(fā)動機，與之配套的液力變矩器和自動換檔變速箱、12 噸級驅(qū)動轉(zhuǎn)向橋及越野輪胎。2） 上車：高強度材料、大扭矩的起升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承。3） 液壓系統(tǒng)：變量泵、變量馬達(dá)、電磁換向先導(dǎo)閥及主閥、平衡閥、懸掛3系統(tǒng)閥、液壓鎖、液壓缸及管路標(biāo)準(zhǔn)配套件。4） 智能控制系統(tǒng)：力限器顯示控制、記憶通訊及單缸順序伸縮自動控制。由于國外工程機械起步較早，形成了成熟的配套件體系。如力士樂的泵馬達(dá)、閥、起升、回轉(zhuǎn)、行走機構(gòu)；貝林格的主閥、先導(dǎo)閥、平衡閥；哈威的主閥、先導(dǎo)閥、平衡閥；ZF 的變速箱、分動箱；凱斯蘭的橋；PAT 的力限器等等。配套廠能與主機廠協(xié)作密切，聯(lián)合開發(fā)，再加上主機廠家的專有技術(shù)，能形成很強的核心競爭優(yōu)勢，能夠保證主機性能的發(fā)揮和可靠性的提高。1.4 汽車起重機產(chǎn)品的發(fā)展趨勢自90年代以來，國外工程機械進(jìn)入了一個新階段，目前我國汽車起重機在工程機械的發(fā)展趨勢是：1、在廣泛應(yīng)用新技術(shù)的同時，不斷涌現(xiàn)出新結(jié)構(gòu)和新產(chǎn)品。2、繼續(xù)完成提高整機可靠性。3、技術(shù)發(fā)展的重點在于增加產(chǎn)品的電子信息技術(shù)含量，在集成電路、微處理器、微型計算機及電子監(jiān)控技術(shù)等方面都有廣泛的應(yīng)用。4、努力完善產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，改善駕駛?cè)藛T的工作條件，向節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展，可靠性、安全性、舒適性、環(huán)保性得到了高度重視。5、向大型化和微型化方向發(fā)展。借鑒國外工程機械產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，并結(jié)合我國實際，我國的科學(xué)技術(shù)水平不能與國外相提并論，所以我們必須在產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品開發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新上下大功夫才能與國外大型公司競爭。我國工程機械產(chǎn)品的發(fā)展走勢應(yīng)是：1 系列化、特大型化系列化是工程機械發(fā)展的重要趨勢。國外著名大公司逐步實現(xiàn)其產(chǎn)品系列化進(jìn)程，形成了從微型到特大型不同規(guī)格的產(chǎn)品。與此同時，產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期明顯縮短。特大型工程機械產(chǎn)品特點是科技含量高，研制與生產(chǎn)周期較長，投資大市場容量有限，市場競爭主要集中少數(shù)幾家公司。因此我國必須在此加大研發(fā)力度才不至于在此受制于國外。2 多用途、微型化4為了全方位地滿足不同用戶的需求，國外工程機械在朝著系列化、特大型化方向發(fā)展的同時，已進(jìn)入多用途、微型化發(fā)展階段。一方面，工作機械通用性的提高，可使用戶在不增加投資的前提下充分發(fā)揮設(shè)備本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，為了盡可能地用機器作業(yè)替代人力勞動，提高生產(chǎn)效率，適應(yīng)城市狹窄施工場所以及在貨棧、碼頭、倉庫、艙位、農(nóng)舍、建筑物層內(nèi)和地下工程作業(yè)環(huán)境的使用要求，小型及微型工程機械有了用武之地，并得到了較快的發(fā)展。為占領(lǐng)這一市場，各生產(chǎn)廠商都相繼推出了多用途、小型和微型工程機械。3 電子化與信息化互動以微電子、Internet為重要標(biāo)志的信息時代，不斷研制出集液壓、微電子及信息技術(shù)于一體的智能系統(tǒng)，并廣泛應(yīng)用于工程機械的產(chǎn)品設(shè)計之中，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品的性能及高科技含量。4 安全、舒適、可靠 駕駛室將逐步實施優(yōu)化設(shè)計方法，配裝冷暖空調(diào)。全密封及降噪處理的“安全環(huán)保型”駕駛室，采用人機工程學(xué)設(shè)計的司機座椅可全方位調(diào)節(jié)，以及功能集成的操縱手柄、全自動換擋裝置及電子監(jiān)控與故障自診斷系統(tǒng)，以改善司機的工作環(huán)境，提高作業(yè)效率。大型工程機械安裝有閉路監(jiān)視系統(tǒng)以及超聲波后障礙探測系統(tǒng)，為司機安全作業(yè)提供音頻和視頻信號。微機監(jiān)控和自動報警的集中潤滑系統(tǒng)，大大簡化了機器的維修程序，縮短了維修時間。大型工程機械的使用壽命達(dá)2.05萬小時，最高可達(dá)2.5萬小時。 5 節(jié)能與環(huán)保為提高產(chǎn)品的節(jié)能效果和滿足日益苛刻的環(huán)保要求，主要從降低發(fā)動機排放、提高液壓系統(tǒng)效率和減振、降噪等方面入手。1.5 SolidWorks 軟件簡介SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財務(wù)狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機平臺CAD系統(tǒng)評比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計獲得十七項國際大獎，其中僅從19995年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實和證明，使用它，設(shè)計師大大縮短了設(shè)計時間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場。由于SolidWorks出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬美元的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風(fēng)險投資商和股東，以一千三百萬美元的風(fēng)險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術(shù)隊伍繼續(xù)獨立運作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司，SolidWorks三維機械設(shè)計軟件也成為達(dá)索企業(yè)中最具競爭力的CAD產(chǎn)品。由于使用了Windows OLE技術(shù)、直觀式設(shè)計技術(shù)、先進(jìn)的parasolid內(nèi)核（由劍橋提供）以及良好的與第三方軟件的集成技術(shù)，SolidWorks成為全球裝機量最大、最好用的軟件。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過SolidWorks的培訓(xùn)課程。據(jù)世界上著名的人才網(wǎng)站檢索，與其它3D CAD系統(tǒng)相比，與SolidWorks相關(guān)的招聘廣告比其它軟件的總和還要多，這比較客觀地說明了越來越多的工程師使用SolidWorks，越來越多的企業(yè)雇傭SolidWorks人才。據(jù)統(tǒng)計，全世界用戶每年使用SolidWorks的時間已達(dá)5500萬小時。在美國，包括麻省理工學(xué)院（MIT）、斯坦福大學(xué)等在內(nèi)的著名大學(xué)已經(jīng)把SolidWorks列為制造專業(yè)的必修課，國內(nèi)的一些大學(xué)（教育機構(gòu)）如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江工業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、大連理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、武漢理工大學(xué)等也在應(yīng)用SolidWorks進(jìn)行教學(xué)。1.6 有限元法的基礎(chǔ)理論和軟件介紹傳統(tǒng)起重機的設(shè)計方法多采用以古典力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的半理論、半經(jīng)驗設(shè)計法和類比法、直覺法等傳統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計過程反復(fù)多，周期長，設(shè)計的精確度差。6近年來，隨著電子計算機技術(shù)的廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)工程、優(yōu)化工程、價值工程、可靠性工程、創(chuàng)造工程、人機工程等設(shè)計理論的不斷深入，促使許多跨學(xué)科的現(xiàn)代設(shè)計方法出現(xiàn)，使起重機的設(shè)計進(jìn)入創(chuàng)新、高質(zhì)量、高效率的新階段。這些起重機的現(xiàn)代設(shè)計方法主要包括有限元法、優(yōu)化設(shè)計、可靠性設(shè)計、計算機輔助設(shè)計(CAD)、動態(tài)仿真設(shè)計、模塊化設(shè)計、反求工程設(shè)計、工藝技術(shù)造型設(shè)計、通用化設(shè)計等。其中有限元法和優(yōu)化設(shè)計目前在起重機的設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛，成為起重機設(shè)計中的主流方法。1.6.1 有限元法的提出和應(yīng)用工程計算中，由于傳統(tǒng)的計算方法不僅經(jīng)常因人為計算疏忽造成錯誤外，由于計算方法受計算工具的限制，致使幾何結(jié)構(gòu)及邊界條件等過于簡化，使得計算結(jié)果與實際上有極大的出入，因此參考價值有限。有限元法正是基于工程實際的需要而產(chǎn)生的。有限元法的思想起源于20世紀(jì)50年代處理飛機結(jié)構(gòu)的矩陣分析。由于當(dāng)時電子計算機不普及，未能引起人們的重視，直到60年代才被推廣到彈性力學(xué)平面問題的應(yīng)用分析上，并開始采用“有限元素法”這一術(shù)語。半個世紀(jì)以來隨著電子計算機的廣泛應(yīng)用，有限元法不僅成為進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)分析的重要數(shù)值方法，而且被廣泛應(yīng)用于固體力學(xué)的各個分支，甚至流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)、電磁場、地質(zhì)力學(xué)、生物力學(xué)等領(lǐng)域中，從結(jié)構(gòu)計算擴展到結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并向更高設(shè)計自動化方向發(fā)展。有限元法的發(fā)展借助于兩個重要工具:其理論指導(dǎo)采用矩陣方法，在實際計算中則采用電子計算機。因此，在有限元法中，有限元、矩陣、計算機是三位一體的。[K]{q}={F}其中，[K]為整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，表示節(jié)點載荷{F}與節(jié)點自由度的位移{q}相關(guān)性。(4)求解未知節(jié)點位移解有限元方程可求出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點來選擇合適的計算方法。71.6.2 有限元法的優(yōu)越性與局限性有限元法能夠得到迅速的發(fā)展與越來越廣泛的應(yīng)用，除高性能計算機的出現(xiàn)與發(fā)展提供了充分有利的條件外，還與有限元法所具有的優(yōu)越性是分不開的。有限元法的優(yōu)越性主要有:(1) 在固體力學(xué)及其他連續(xù)體力學(xué)中，只有一些特殊類型的位移場和應(yīng)力場才能求得微分方程式的解。對于多數(shù)復(fù)雜的實際結(jié)構(gòu)得不到解。而有限元法對于完成這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分析是一種十分有效的數(shù)值方法。有限元法是利用離散化將無限自由度的連續(xù)體力學(xué)問題變?yōu)橛邢迒卧?jié)點參數(shù)的計算，雖然它的解是近似的，但適當(dāng)選擇單元的形狀和大小，可使近似解達(dá)到滿意的精度。(2) 有限元法另一個優(yōu)點在于引入邊界條件的方法簡單，邊界條件不需要進(jìn)入單元有限元的方程，而是求得整個集合體的代數(shù)方程后再引進(jìn)。所以對內(nèi)部和邊界上的單元都采用相同的場變量函數(shù)。而且當(dāng)邊界條件改變時，場變量函數(shù)不需要改變，這對編制通用化的程序帶來了莫大的簡化。(3) 有限元法不僅適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，而且能處理各種復(fù)雜的材料性質(zhì)問題，例如材料的各向異性、非線性、隨時間或溫度而變化的材料性質(zhì)問題。另外它還可以解決非均質(zhì)連續(xù)介質(zhì)的問題。其應(yīng)用范圍極為廣泛。有限元法通常采用矩陣表達(dá)形式，非常便于編制計算機程序，從而適應(yīng)于計算 機的工作。有限元法的局限性主要有:(1) 有限元法的應(yīng)用與計算機緊密相關(guān)，取決于計算機的儲存容量和速度，先進(jìn)的計算機將有利于有限元的發(fā)展。(2) 有限元法作為一種計算方法已經(jīng)達(dá)到了成熟的程度，但在具體應(yīng)用中還有不小的差距，特別對于一些復(fù)雜的問題，如固體力學(xué)領(lǐng)域中斷裂形態(tài)，接觸問題與其他領(lǐng)域中的瞬態(tài)問題的數(shù)值解，目前雖有進(jìn)展，但還不能十分令人滿意，需進(jìn)一步研究。1.7 課題任務(wù)本課題通過solidworks三維實體造型軟件對起重機卷筒和卷筒軸這兩個關(guān)鍵零部件進(jìn)行建模，運用有限元分析軟件——cosmoswork軟件對所建的零件模型進(jìn)行優(yōu)8化分析，通過分析結(jié)果來判定零件設(shè)計的合理性，通過對汽車起重機卷筒機構(gòu)設(shè)計原理及技術(shù)要求的分析，最大起重量為20T，最大起升高度為16M。2 卷筒的設(shè)計計算及強度校核2.1 卷筒的結(jié)構(gòu)與材料卷筒的結(jié)構(gòu)分為筒體部分和支架部分，筒體部分通過軸支承在支架上，支架用4枚螺栓固定在起重機上。支架一般鑄造制成，本設(shè)計選用45鋼，卷筒為保證良好的抗彎強度和抗扭強度選用鑄鋼，本設(shè)計選用45鋼。卷筒的制造可分為鑄造和焊接兩種。在一般載荷的起重機中采用灰口鑄鐵，對于重要的卷筒可用球墨鑄鐵，對于重載荷的卷筒，可采用鑄鋼。對于有重量要求的機構(gòu)，采用鑄造卷筒。2.2 卷筒的鋼絲繩卷筒在起升機構(gòu)或牽引機構(gòu)中用來卷繞鋼絲繩，將螺旋運動轉(zhuǎn)換為直線運動。卷筒通常是圓柱形的，特殊的卷筒也有制成圓錐形或曲線形的。卷筒有單層和多層2種，一般的起重機采用單層卷筒。單層卷筒通常表面切出螺旋槽，是為了增加鋼絲繩的接觸面積和防止相鄰鋼絲繩的磨損。繩槽分為標(biāo)準(zhǔn)槽和深槽兩種（圖2.1），其尺寸為R≈0.55d。（d——鋼絲繩直徑）圖 2.1 卷筒槽形9標(biāo)準(zhǔn)槽： c1≈（0.3~0.4 ）d，t 1=（2~4） （mm）深槽： c2≈0.6d，t 2=d+（6~8 ） （mm ）一般采用標(biāo)準(zhǔn)槽，由于節(jié)距小，機構(gòu)緊湊，深槽的特點是不易脫槽，但節(jié)距大，增加卷筒長度。取 c1=8（mm） ，t 1=3（mm）2.3 卷筒的主要尺寸2.3.1 卷筒直徑 D卷筒直徑 D 與滑輪直徑一樣，是以槽底計算的直徑。卷筒直徑的確定方法與滑輪完全相同，即 D0=ed。式中 e——與機構(gòu)工作級別和鋼絲繩的有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)表 12—2，取 e=18d——鋼絲繩的直徑，根據(jù)表 12—1，選用鋼絲繩型號 6T(25),d=25mm。∴D ≥D 0= ed=18×25=450mm2.3.2 卷筒的長度 L 卷筒的長度（圖 2.2） 圖 2.2 卷筒的長度L=L0+2l1+ l2 （式2.1）式中 L——卷筒總長度； L0——繩槽部分長度，其值為 10L0 = （式0HantD????????2.2）式中 H——起升高度； a——滑輪組倍率；D0——卷筒卷繞直徑；t——繩槽節(jié)距； n——附加安全圈數(shù)，n=1.5~3 圈； l1——兩端的邊緣長度； l2——固定鋼絲繩所需要的長度，l 2=3t=90。 得 L0 ={（1600×1／3.14×450）+3}×30≈ 500mm ∴L=L 0+2l1+ l2=500+2×20+90=630mm （式2.3）2.3.3 卷筒的厚度按經(jīng)驗公式計算，對于鑄鐵卷筒，δ=0.02D+（6~10） （mm） ；對于鋼卷筒，δ≈d。然后進(jìn)行強度校核，鑄鐵壁厚不宜小于 12mm。這里取材料為 45 鋼，筒壁厚為 25mm。2.4 滾筒體受力分析滾筒體作簡支梁，兩端支撐的端蓋在水平及垂直面內(nèi)均為鉸支。作用在筒體上的載荷有鋼絲繩對滾筒的張力 F、圓周驅(qū)動力Fu 以及鋼絲繩軸向位移產(chǎn)生的軸向力，該力與前兩項的相對比值較小，故忽略不計，滾筒筒體受力及分析見圖 2.3。圖中 F 1——起升拉力，N； Fu——圓周驅(qū)動力，N；M3——滾筒所受之扭矩， （N/m） ； 11M3=Fu （N/m） ；502DPv?M——彎矩 ；Mmax （N/m） （式 2.4） ??N/m284qlFl??σ——正應(yīng)力， （N/mm 2） 圖 2.3 卷筒受力分析（N/mm 2） （式 2.5）=MW?τ——剪切應(yīng)力， （N/mm 2） （N/mm 2） （式3n??2.6）σh——合成應(yīng)力， （N/mm 2） σh= （N/mm 2） （式??3????2.7）2.5 滾筒強度校核圓周驅(qū)動力 F u=1000 （N） （式6301vp?2.8）(查表 1—2,V=65m／min=1m ／s)鋼絲繩張力 F =Fu =63000（N） （式2.9）扭矩 M 3= Fu （N/m） （ 式14752.06?D2.10）彎矩 M max= （N/m） （式.963.4l2?F2.11）正應(yīng)力 W= =3423611????????43)50(14.03mσ= 1.45（N/mm 2） （式??26.9W122.12）剪切應(yīng)力 τ= （N/mm 2） （式07.34261753???WM2.13）將計算的 σ、τ 值代入式（3-6）：（ N/mm2）[σ ]=65（N/mm 2） （式91.407.2345.132??????h2.14）本章小結(jié)本章主要介紹了卷筒的結(jié)構(gòu)和材料的選擇，幾卷筒的主要尺寸，為以后的設(shè)計做好鋪墊，同時也對卷筒進(jìn)行了強度校核。3 軸的設(shè)計計算及強度校核3.1 按扭矩初算軸徑1.軸的材料的選擇，確定許用應(yīng)力選用 45 號鋼，正火處理 [ ]=590MPa, b?=55MPa1[]b??2.按扭轉(zhuǎn)強度，初步估算軸的最小直徑（式3302.14.60PdAmn???3.1）軸伸部位安裝聯(lián)軸器，考慮補償軸的可能位移，選用非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器，由轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩得=1.5×490.13=735.2N?m （式1caATK?3.2）13查《機械零件設(shè)計手冊》表GB/T4323-2002 LT選LT9型彈性套柱銷聯(lián)軸器，標(biāo)準(zhǔn)孔徑d=50mm，即軸伸直徑為50mm 。軸孔長度L=114mm圖 3-1 卷軸 3、軸承和鍵采用角接觸球軸承，并采用凸緣式軸承蓋，實現(xiàn)軸承系兩端單向固定，軸伸處用A型普通平鍵與小齒輪聯(lián)接，實現(xiàn)周向固定。3.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計（1） 、徑向尺寸的確定從軸段d1=50mm開始逐漸選取軸段直徑，d2根據(jù)齒輪的相配合關(guān)系，取d2=86mm，d3與軸承的內(nèi)徑相配合，為便與軸承的安裝，查GB/T 292-1994，選角接觸70IC軸承，則d3=90mm且d3=d5=90mm，d6起固定作用，定位軸肩高度可在（0.07~0.1）d范圍內(nèi)， h≥（0.07~0.1）d5=（ 6.3~9）mm。應(yīng)取d6=100mm,d7根據(jù)結(jié)構(gòu)而定取d7=80mm。（2） 、軸向尺寸的確定由GB/T4323-2002查聯(lián)軸段長度114mm取L1=91mm，L2根據(jù)齒輪寬度B，取L2=152mm，L3，L5為與軸承配合的軸段長度，L3=L9=43mm，L4考慮到與卷筒的配合關(guān)系取L4=604mm，L6與支架相配合，取L6=135mm，其他軸段的尺寸長度與箱體等的14設(shè)計有關(guān)L7=185mm，則軸總長1253mm (3)、軸的強度校核選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度HBS=230，強度極限 ，屈服極限 =360Mpa，彎曲B?s疲勞極限 =300Mpa，剪切疲勞極限 =155Mpa，對稱循環(huán)變應(yīng)力時的許用應(yīng)力1?? 1??=60Mpa。校核軸的強度時，應(yīng)選擇若干危險截面（承受計算彎矩最大截面處或1[]b?承受計算彎矩較大，兒幾何尺寸較小處），軸危險截面上的強度條件為（式??122)(???????WTMcac3.3）式中 ——軸的彎扭組合計算應(yīng)力，單位為MPa；caM——軸所受的彎矩，單位為 ；mN?T——軸所受的轉(zhuǎn)矩，單位為 ；——折算系數(shù)，用以考慮轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力與彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力循環(huán)?特性不同的影響（根據(jù)軸的工作特點，當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力是，=0.6；當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力與對稱循環(huán)變應(yīng)力，如頻繁正反轉(zhuǎn)的軸，取 =1）?W——抗彎截面系數(shù)，單位為 3m5301862)(103862)(3 2?????????dtb 3m??MPaPaMcac 67.501)743(4912 ?????故設(shè)計符合強度要求。3.3 軸的受力分析15圖 3.2 受力彎矩分析（a）受力簡圖 （b）水平面的受力和彎矩圖 （c）垂直面的受力和彎矩圖 （d）合成彎矩圖 （e ）轉(zhuǎn)矩圖 （f）危險截面彎矩圖3.4 輸入軸鍵連接的選擇聯(lián)軸器與輸入軸連接采用平鍵連接軸徑d1=50mm，L1=114mm16查《機械零件設(shè)計手冊》P53 表4-1 選用C型平鍵，得：b=14 h=9 L=70即：鍵C14×70 GB/T 1096-2003 l=L-b=114-14=100mm T=23.947N·m 根據(jù)教材P106式6-1得 （式332102.947102.5pTMpakld??????????3.4）3.5 聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器的選擇（1）、類型選擇：為了隔離振動與沖擊，選用非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器（2） 、載荷計算：由《機械設(shè)計》第八版表 14-1 查得 。故由公式（14-1）的計算轉(zhuǎn)矩1.5AK?為： （式1.5490.37.2caATKNm??3.5）(3)、型號選擇：依據(jù)軸的設(shè)計與計算中知：查查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》P97 表 8-5 （GB/T 4323-2002）選 LT9 型彈性套銷柱聯(lián)軸器，標(biāo)準(zhǔn)孔徑 d=50mm，即軸伸直徑為 50mm 。本章小結(jié)本章主要介紹了軸的設(shè)計及校核。4Solidworks 三維實體設(shè)計4.1 Solidworks 軟件的特點17Solidworks 軟件功能強大，組件繁多。 Solidworks 有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點，這使得 SolidWorks 成為領(lǐng)先的、主流的三維 CAD 解決方案。SolidWorks 能夠提供不同的設(shè)計方案、減少設(shè)計過程中的錯誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks 不僅提供如此強大的功能，而且對每個工程師和設(shè)計者來說，操作簡單方便、易學(xué)易用。對于熟悉微軟的 Windows 系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用 SolidWorks 來搞設(shè)計了。SolidWorks 獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計。SolidWork資源管理器是同 Windows 資源管理器一樣的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理CAD 文件。使用 SolidWorks ，用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場。在目前市場上所見到的三維 CAD 解決方案中，SolidWorks 是設(shè)計過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司 Daratech 所評論：“在基于 Windows 平臺的三維 CAD 軟件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市場快速增長的領(lǐng) 導(dǎo)者。 ”在強大的設(shè)計功能和易學(xué)易用的操作（包括 Windows 風(fēng)格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用 SolidWorks ，整個產(chǎn)品設(shè)計是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計、裝配設(shè)計和工程圖之間的是全相關(guān)的。4.2 Solidworks 在本設(shè)計的應(yīng)用運用 solidworks 對卷筒以及軸進(jìn)行建模，確定它們之間的配合關(guān)系，為接下的有限元分析做準(zhǔn)備。下面的圖設(shè)計的基本零件。18圖 4—1 卷筒圖 4—2 卷筒軸194—3 軸承4—4 左軸承端蓋204—5 左連接板4—6 右軸承端蓋214—7 卷筒組組裝4—8 卷筒組爆炸圖本章小結(jié)本章運用 solidworks 軟件對卷筒和卷軸進(jìn)行建模225 有限元分析5.1 卷筒的有限元建模與靜態(tài)分析5.1.1 卷筒的載荷分析在起重機的起升機構(gòu)中通常是將鋼絲繩單層卷繞在卷筒上,且雙聯(lián)卷筒較為典型,單聯(lián)卷筒較簡單些,故僅分析單層卷繞、雙聯(lián)卷筒的情況。對于單層卷繞的卷筒而言,卷筒在工作中承受著下述應(yīng)力:卷筒傳遞扭矩所引起的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力;鋼絲繩拉力引起的彎曲應(yīng)力;鋼絲繩在卷筒上卷繞時對卷筒的緊箍作用的應(yīng)力。卷筒上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較小,可以忽略不計。在較短的卷筒中,彎曲應(yīng)力也可以不予考慮。因此,卷筒壁厚主要與鋼絲繩在卷筒上卷繞時對卷筒的緊箍作用有關(guān),緊箍作用引起的應(yīng)力使卷筒受到壓縮和彎曲。卷筒在具有一定拉力的單圈繩索的作用下將產(chǎn)生局部彎曲變形,而卷筒在受到依次排列的許多繩圈載荷作用下,也將依次產(chǎn)生局部彎曲變形。對于鋼絲繩拉力引起卷筒的彎曲應(yīng)力,通常對長徑比較大的卷筒才比較明顯,而對于粗短形狀的卷筒,這種整體彎曲應(yīng)力是可以不考慮的5.1.2 有限元模型建立由于卷筒受力較為復(fù)雜,繩槽截面又較為特殊,故需作些簡化。(1) 模型簡化在卷筒模型簡化時將卷筒和繩槽作如下假設(shè):① 卷筒是圓柱薄殼,材料均質(zhì)且各向同性;② 繩槽作為環(huán)肋加到卷筒壁厚中,且它并不參與縱向的承載,把環(huán)肋簡化為梁單元加到卷筒上;卷筒簡化前后如圖5-1、圖5-2所示。(2) 邊界條件處理因卷筒可繞軸轉(zhuǎn)動,卷筒一端視為固定約束(限制5個自由度) ,另一端簡支,可沿軸向微小移動(限制4個自由度),如圖5-3、圖5-4 。