塔式起重机附着装置的计算机辅助设计周俊静,殷晨波(南京工业大学机械与动力工程学院,江苏南京　210009)摘要:阐述了塔式起重机附着装置的设计计算理论,建立了基于该理论的塔机附着装置计算机辅助设计系统。

该系统能够快速准确地设计出符合实际情况的附着装置,同时自动完成施工图的绘制,并自动生成设计计算说明书和物料清单表,大大提高了工作效率。

关键词:塔式起重机;附着装置;计算机辅助设计;Visual Basic 6.0中图分类号:TH 212 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2006)17-0049-04 附着式塔式起重机(以下简称塔机)在超过独立高度时,需要安装附着装置,以确保安全稳定。

附着装置是随机部件,附着距离在设计时就已确定,在使用说明书中给出。

但是根据施工现场的实际情况,附着距离往往需要加大。

附着杆加长后如果仍使用原截面,附着装置的刚度就会不够,因此需要重新设计附着杆的截面形式。

本文提出了一种设计塔机附着装置的方法,并实现了其计算机辅助设计。

系统采用交互式设计方法,输入所需参数并选择合适的型式,即可完成附着架的设计,生成施工图、设计计算说明书和物料清单表。

1　系统设计1.1　计算各附着撑杆的反力塔机所受的能够引起附着撑杆内力的外载荷包括重力产生的不平衡力矩、风载荷、回转惯性力以及这两种力所引起的扭矩[1]。

可以将塔身简化为一个多跨连续梁的计算模型。

其底端固支,中间的各附着架看作铰接支点。

将塔机第一道附着以上的结构移去,以弯矩M 、扭矩M n 、横向力Q 和垂直力N 代之,其中垂直力N 由塔身直接传到地基,对附着架没有影响,因此不予考虑。

由于附着架的刚度比塔身的扭转刚度大得多,因此塔身顶端图1　塔身受力模型的第一层附着架吸收了绝大部分扭矩。

偏于安全的考虑,假设顶端的第一层附着承受了全部的扭矩M n 。

除上述各集中力外,塔身还受到分布的风载荷q (如图1所示)。

为了求解附着架的支反力,将塔身作如下简化(如图2所示)。

扭矩的作用单独考虑。

图2所示的计算模型是一个静不定结构,静不定的次数等于中间支座的数目。

求解多跨连续梁一般用三弯矩方程,形式如下:M n -1l n +2M n (l n +l n +1)+M n +1l n +1=-6ωn a nl n-6ωn +1b n +1l n +1(1)式中:M n -1,M n ,M n+1分别为支座n -1,n ,n +1上的弯矩;l n ,l n +1为与n 支座相邻的两个跨度;ωn a n 为第n 跨的载荷弯矩图面积对(n -1)支座的静矩;ωn +1b n +1为第(n +1)跨的载荷弯矩图面积对(n +1)支座的静矩。

(n -1)个三弯矩方程中包含了(n +1)个未知弯矩,加上两端的边界条件,即可求出所有未知弯矩,然后把每个静定基看作简支图2　对塔身受力模型的简化收稿日期:2006-05-29基金项目:江苏省自然科学基金资助项目(BJ99026)作者简介:周俊静(1981-),女,河北衡水人,南京工业大学在读硕士研究生,主要研究方向为机械设计及理论。

梁求出支座反力。

程序中采用常见的N 型附着形式,按非工作状态、工作状态吊臂垂直于附着墙面和工作状态吊臂平行于附着墙面3种工况计算,求出撑杆的最大内力。

1.2　撑杆的设计和校核附着杆的截面型式有实腹式和格构式两种,在超长附着杆设计中,通常采用格构式截面。

实际中最常见的有四角钢焊接和两槽钢对焊两种情况。

它们又分别有缀板式、缀条式。

设计的过程为,首先选择截面,确定所用的型钢和截面的尺寸,然后根据实际的截面尺寸和长细比,对整体和单肢进行稳定性、刚度和强度验算,若有不满足,则重新调整。

考虑到附着杆的自重及风载荷的影响,对整体按双向压弯格构件进行验算。

单肢的稳定性按轴心受压杆件进行验算。

2　系统实现2.1　系统构建一个完整的CAD 系统通常包括分析计算程序、数据库系统及图形处理系统3大部分。

本系统以Visual Basic6.0作为开发工具,结合Microsoft Access 建立数据库系统,利用ActiveX 技术引用AutoCAD 应用程序生成附着撑杆的施工图。

分析计算程序将计算撑杆最大内力和撑杆的设计校核过程中的公式和步骤转换成程序代码,进行附着装置的设计计算。

撑杆设计包括主肢杆的设计和缀材设计,程序中提供了3种截面形式的主肢杆供用户选择,分别为两槽钢对焊、两槽钢背焊四角钢对焊、缀材包括缀条式和缀板式两种。

参数库包括设计过程中用到的机械设计手册中的各种数表以及常见型号塔机的基本参数;设计完成,可以生成施工图、设计计算说明书和物料清单表。

系统的工作流程如图3所示。

2.2　关键技术2.2.1　ActiveX 技术输出模块包括生成设计计算说明书、物料清单表和撑杆施工图,其中设计计算说明书和物料清单表为Word 文档,撑杆施工图通过AutoCAD 生成。

系统与Microsoft Word 以及AutoCAD 之间的通信利用ActiveX 技术实现。

ActiveX 技术是建立在COM 基础上,由对象链接和嵌入(OL E )技术发展而来,其目标是提供一种与操作系统平台无关的、图3　系统工作流程图可在应用程序之间互相访问对象的机制。

本系统的应用属于ActiveX 文档。

以AutoCAD 为例,实现的方法如下[2]:a.建立AutoCAD 空白文档;b.在VB 的引用属性中引用AutoCAD 2005Type Library ;c.创建和引用AutoCAD 对象:dim acadapp As AcadApplication ’AutoCAD 应用程序对象变量dim acaddoc as acaddocument ’AutoCAD 文档对象变量dim paspace as acadpaperspace ’AutoCAD 图纸空间对象变量dim mospace as acadmodelspace ’AutoCAD 模型空间对象变量’以下为与AutoCAD 应用程序连接的程序On Error Resume Next ’出错继续Set cad =G etObject (,“autocad.application ”)’如果AutoCAD 正在运行,引用AutoCAD 应用程序If Err Then Err.Clear　Set cad =CreateObject (“autocad.application ”)　’如果AutoCAD 不在运行,创建并打开 If Err Then MsgBox Err.Description ’出错处理 Exit Sub End If End IfSet acadapp=CreateObject(“autocad.application”) set acaddoc=Acadapp.Documents.Open(App.Path &’\文件名.dwg”)与AutoCAD应用程序连接后,利用相关的命令和方法在打开的AutoCAD模型空间中进行参数化绘图是系统的关键技术之一。

2.2.2　参数化绘图技术参数化设计和绘图适用于物体的基本几何拓扑关系固定,只改变尺寸、精度以及材料的工程设计[3]。

撑杆的截面形式有四角钢对焊、两槽钢对焊和两槽钢背焊3种,每种又分缀条式和缀板式。

在程序中分别编写3种截面的缀条式和缀板式的绘图子程序,各绘图命令和函数的参数通过设计计算得出。

设计完成,绘图所需数据也同时计算出来了,并且赋给了对应的变量,用户进行相应的操作,要求生成施工图时,系统会自动调用相应的子程序完成绘图。

2.2.3　数据库查询技术在机械设计的过程中,设计人员需要从手册中查阅大量图表。

如何对这些图表进行计算机处理,是系统设计的另一项关键技术。

对于像稳定系数这类往往需要进行插值计算才能得到所需数据的数表,采用线性插值的方法,在程序中编写插值函数,设计过程中,通过输入的长细比在数据库中查出前后相应的稳定系数,调用插值函数计算出所求的稳定系数。

对于型钢、紧固件等这类包含了多项数据并且可以从表中直接得到所需数据的数表,采用了数据库存储的方法,独立于程序,增强了系统的开放性。

另外,对常见的塔机型号建立了数据库,在参数输入部分用户可以直接选择塔机型号,该塔机的参数会自动加载到程序中。

3　设计实例利用本软件对文献[1]的计算实例进行了验算。

操作的步骤为:(1)输入参数,包括塔机基本参数、附着间距、附着尺寸以及载荷;(2)根据不同状态进行附着杆内力计算,得出最大内力,并选择型钢材料;(3)在附着杆设计过程中用户选择长细比和截面形式,进行主肢杆和缀材的设计;(4)设计完成,输出相关设计资料。

图4、图5、图6、图7分别为参数输入、内力计算、附着杆设计和相关文件输出的页面。

图4参数输入图5　内力计算图6　附着杆设计 由本系统得出的撑杆最大内力与文献中结果基本相同,在此基础上,本系统继续进行了附着撑杆的详细设计和校核,在不足半小时的时间内就可以设计完成并生成所需的设计文件。

4　结束语本文建立了塔机附着装置的合理的计算模型,采用三弯矩方程求解其支反力,与平面解析法相比,运算量小,准确度高。

基于设计理论所建立的系统能设计出精确可靠的附着装置,并直接生成设计计算说明书、施工图和物料清单表,显著减少了图7　生成相关文件设计人员的工作量,缩短了设计周期。

参考文献:[1]　郑奠一,唐明清.塔式起重机附着撑杆内力计算[J ].建筑机械,1996(7):10-171[2]　张国宝.AutoCAD Visual Basic 开发技术[M ]1北京:科学技术出版社,20001[3]　丁奇志,付景红.基于VBA 的参数化设计与绘图[J ].机械传动,2004(5):37-391The Computer Aided Design of the Attach Member in the Tow er CraneZHOU J un -jing ,YIN Chen -bo(Najing University of Technology ,Jiangsu Nanjing ,210009,China )Abstract :It presents the designing principle of the attached member for tower crane ,establishes the computer aided design system of this machinery.The system can generate a new set of attached member rapidly and ac 2curately.As a design process it completes the drawing ,the instruction book of designing and calculating and the detailed material list.The system is helpful for the designer to do a lot and shortened the designing period greatly.K ey w ords :Tower Crane ;Attached Member ;Computer Aided Design ;Visual Basic 6.0文后参考文献编排格式本编排格式适用于各个文种。