机械结构分析与设计精选(九篇)

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第1篇：机械结构分析与设计范文

关键词：中部槽；结构设计；ANSYS；结构强度；结构刚度

中图分类号： P634.3+3 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）21-177-2

0 引言

中部槽是刮板输送机的重要组成部分，主要用于承担物料荷载，具有体积大、重量重等特点。刮板输送机的中部槽组装时，一般先根据运输巷道的长度来确定所需中部槽的个数，然后通过设备吊装单个中部槽进行组装。目前，煤矿井下吊装中部槽大多通过钢丝绳捆绑中部槽进行吊运，此吊装方式不仅费时费力，而且存在一定的危险性。所以在设计中部槽机械抓手时，综合中部槽的结构特点、运行工况进行结构设计；同时，通过有限元软件ANSYS对机械抓手的重要结构零部件进行力学分析，保证中部槽机械抓手在特定工况下满足安全使用要求。

1 中部槽机械抓手结构设计

1.1 总体结构概述

1.主梁箱；2.端梁

1.液压缸；2.齿条组；3.齿轮组；4.自由端抓手；5.固定端抓手

如图1所示，中部槽机械抓手主要包括主梁箱、端梁，端梁通过焊接固定安装在主梁箱两端。主梁箱整体结构采用板材焊接成箱型截面的梁体，而箱型结构具有良好的抗弯抗扭性能[4]。主梁箱箱盖上设有吊耳，主要用于实现与起重机吊链的连接，进而通过机械抓手将中部槽吊运到适当位置。端梁的前、后端头形状设计成中部槽卡槽形状，有利于在吊运中部槽的过程中，端梁更好的卡在中部槽卡槽中。

1.2 主梁箱及端梁结构设计

主梁箱内部安装有液压缸、齿条组、齿轮组，液压缸为整个机械抓手的动力部件，通过齿条组、齿轮组的啮合传动，推动自由端抓手卡在中部槽卡槽中，进而实现抓手对中部槽的抓取动作。齿条组包括左齿条、右齿条、横梁，左齿条、右齿条分别焊接在横梁的两端；齿条组的横梁与液压缸活塞杆通过销轴连接。齿轮组有两对，分别安装在箱体底板的左、右两侧。

端梁包括固定端抓手、自由端抓手，固定端抓手和自由端抓手的端头在设计加工时，需根据中部槽卡槽的具体形状来进行相似设计，保证端头能正好卡在中部槽的卡槽中。固定端抓手内部设有滑槽，自由端抓手可在固定端抓手内部的滑槽面上沿滑槽长度方向上实现平移运动；所述自由端抓手一侧焊接有齿条，所述自由端抓手的齿条与齿轮组的齿轮互相啮合。

1.3 液压缸相关参数设计

油缸采用的是一级伸缩式油缸，在确定油缸内径时，仅需满足油缸推力要求即可。行走油缸的内径D为

式中：

F―活塞杆所受的最大负载，单位N；

Φ―为推移油缸杆径比。

由负载分析可知，油缸最大负载为F=158000N，带入相关数据可以求得D=43mm，圆整后取D=45mm。

根据油缸内径尺寸，经查机械设计手册得其他相关尺寸，如表1所示。

2 机械抓手关键部件的有限元分析

起吊端盖是整个机械抓手的主要承载单元，需要对起吊端盖进行强度校核，利用 SolidWorks建立起吊端盖几何模型，对其进行合理简化。模型建成后，将后连接件保存为*step的格式，并导入到ANSYS Workbench软件中，采用solid186单元类型，完成材料属性的设置，采用智能网格进行网格划分，单位大小设置为6.0mm，得到起吊端盖的三维有限元模型。

根据起吊端盖的实际工况及其受力情况，约束施加在起吊端盖四个下连接耳座上，且采用固定全约束。根据机械抓手起吊中部槽的重量以及抓手自身重量，共计2.4t，取安全系数为1.5，则最大起吊力为3.6t，起吊力作用在起吊端盖的上耳座，方向竖直向上，另外起吊端盖应考虑自身重力的影响[3]。将上述载荷施加到齿条组连接件上，再进行求解。

得知，最大应力值为245.43MPa，出现在起吊端盖四个下连接耳座上，根据强度分析结果，同时考虑起吊端盖具有良好的强度和刚度，材料选取而进行有限元分析时，加载的工作载荷为正常情况下1.5倍，所以后连接件的使用安全系数S为：

S=1.5×2.24=3.36

《煤矿安全规程》规定煤矿设备安全系数S不小于3，起吊端盖的安全系数是3.36，可以满足工程实际需要。

起吊端盖整移均匀，没有较大的变形，也不存在明显的突变变形，最大的变形为0.0158mm。所以起吊端盖强度满足要求，其设计合理可靠。

3 结束语

本文通过对中部槽机械抓手的设计研究，解决以往巷道铺设中部槽过程中，中部槽安装、起吊移动不便的问题，通过该研究设计，能够大幅提高中部槽起吊移动的速度，减少中部槽安装时间，提高铺设中部槽的效率，满足矿井高产高效的要求，具有重要的经济效益和社会效益；同时，利用有限元分析软件ANSYS对机械抓手的关键部件起吊端盖进行结构强度及刚度分析，结果表明起吊端盖的结构强度及刚度满足安全使用要求。该设备的研究应用能够为快速铺设刮板输送机提供有利条件，推广前景开阔。

参 考 文 献

[1] 姜翎燕.工作面刮板输送机技术现状与发展趋势[J].煤炭科学技术，2007.08-0102-05.

[2] 葛伟伟，张森，李媛媛，孙维丽.井下搬运机械手的设计与仿真研究[J].煤矿机械，2015.02-0047-03.

第2篇：机械结构分析与设计范文

【关键词】结构设计；概念设计；地基设计

前言

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，对住宅建筑结构设计也提出了更高的要求。发展先进设计理论，加强先进技术的应用，加快新型高强、轻质、环保建材的研究，使建筑结构设计更加安全、适用、可靠和经济是建筑结构设计的发展方向。高层建筑结构设计是一个复杂的过程，应从结构的概念设计着手、加强住宅地基结构设计。针对当前设计质量状况,设计单位应加强内部的质量管理, 设计管理部门要加大对设计质量的监督管理,结合施工图设计审查、专项检查、质量抽查等工作,加强对业主、勘察、设计单位的市场监管力度。并通过控制这些指标，使高层的结构布置更加合理，达到更好的效果。

一、住宅结构设计常见的问题分析

1、结构选型。建筑物的结构设计,不仅要求具有足够的承载力,而且必须使结构具有足够抵抗侧力的刚度, 使结构在水平力作用下所产生的侧向位移限制在规定的范围内.基于上述基本原理,工程综合分析了结构的适用,安全,抗震,经济,施工方便等因素,选取了结构方案.结构为框架体系,由钢筋混凝土框架承担竖向力和侧力。钢筋混凝土框架刚度布置相对比较均匀,在满足建筑功能情况下,尽量减少平面扭转对结构的影响。

2、部分结构设计不合理,安全隐患比较多。如《建筑抗震设计规范》第 7.1.8 条(强制性条文)规定“底部框架- 抗震墙结构,上部的砌体抗震墙与底部的框架梁或抗震墙应对齐或基本对齐”。有些设计把底层设计成大空间,抗震墙很少, 上部砌体抗震墙大部分与底部的框架梁或抗震墙不对齐,造成结构体系不合理,传力不明确;有些设计中抗震分类、场地类别选用错误,导致整个结构设计错误。一些混凝土构件,特别是悬挑构件的最小配筋率达不到要求,有的相差一半,有的甚至一半都达不到，有些设计中荷载取值没有按规范要求来确定,常见漏算错算现象，有些结构设计与提供的计算书不一致,结构强度远远低于计算结果,设计常见严重安全隐患。

3、设计深度达不够。一些设计人员制作图纸“偷工减料”,设计粗糙,过于简单,施工图中应有的系统图、大样图、相关剖视图漏缺;一些重要的、应该用图纸反映的内容只标注“见图集”、“由设备厂家确定”等,施工图设计表述不全,细部大样不详,不能反映工程的全貌;一些重要的设计依据、设计参数、工程类别、安全等级、耐火等级、防火消防处理等在设计总说明中没有标明或交待不全。这些问题的产生, 有的是由于设计人员没有对一般住宅尤其是多层住宅设计引起高度重视,盲目参照或套用其他的设计的结果;有的则是由于设计过程中对设计规范和设计方法缺乏理解; 还有的是由于设计者的力学概念模糊,不能建立正确的计算模式,对结构电算结果也缺乏判断正确与否的经验。

二、住宅结构设计的概念设计与地基设计分析

1、必须及早介入建筑结构的概念设计。住宅设计无论是多层砖混或框架剪力墙结构, 都不同于以往的静力设计,必须从抗震的角度,采用二阶段设计来实现三个水准的设防要求。为此,结构设计人员必须及早介入建筑结构的概念设计,方案设计阶段应正确把握建筑结构的概念设计,对不同形式的住宅建筑掌握各自概念设计中容易疏忽的要点。

一是对一般多层砌体住宅结构,应按《建筑抗震设计规范》要求做到优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系:纵横墙的布置宜均匀对称,沿平面内宜对齐,沿竖向应上下连续;楼梯间不宜设置在房屋的尽端和转角处;不宜采用无锚固的钢筋砼预制挑檐。二是对钢筋混凝土多、高层结构住宅,力求做到结构布置尽量采用规则结构。对复杂结构,可以设置防震缝,把它分割成各自规则的结构单元。结构布置以少设缝为宜,一旦设缝,则应使防震缝的设置与伸缩缝、沉降缝相统一;框架与抗震墙等抗侧力结构应双向布置,以便各自承担来自平行于该抗侧力结构平面方向的地震力;框剪体系的各抗侧力结构要形成空间共同工作状态,除了控制抗震墙之间楼、屋盖的长宽比及保证抗震墙本身的刚度外,还需采取措施,保证楼、屋盖的整体性及其与抗震墙的可靠连接。

2、加强住宅地基结构设计。为防止或减少由于地基沉降或不均匀沉降引起的构件开裂或破坏,可以从建筑措施、结构措施、地基和基础措施方面加以控制。诸如:避免采用建筑平面形状复杂、阴角多的平面布置;避免立面体形变化过大;将体形复杂、荷载和高低差异大的建筑物分成若干个单元;加强上部结构和基础的刚度;同一建筑物尽量采用同一类型基础并埋置于同一土层中等一系列措施。地基的结构设计应分别就高层建筑与多层建筑考虑不同的设计。

一是对高层建筑来说,由于需要一定的埋置深度,从经济的角度考虑,基础一般采用桩箱或桩筏结合的形式。此时应保证箱体的整体刚度,群桩布置的形心应与上部结构重心相吻合;当土层有较大起伏时, 应使用同一建筑结构下的桩端位于同一土层中,并应考虑可能产生的液化影响。二是对多层建筑而言,从经济的角度考虑,一般不愿意采用长桩的方案。但对软土层覆盖层厚度较大的地区,一般都需要经过地基处理的方式来达到控制建筑物沉降的目的。常用的软土地基处理方式类型较多,但在选择地基处理方案前,必须认真研究上部结构和地基两方面的特点及环境情况,并根据工程设计要求,确定地基处理范围和处理后要求达到的技术指标, 以及各种处理方面的适用性。同时综合考虑处理方案的成熟程度及施工单位的经验,进行多方案比较,最终选定安全实用、经济合理的处理方案。地基经处理后,还必须满足规范所规定的强度和变形要求。

三、住宅结构设计的要求分析

1、结构计算注意的问题。一是免荷载计算的错误。诸如漏算或少算荷载、活荷载折减不当、建筑物用料与实际计算不符, 基础底板上多算或少算土重。二是底框砌体结构验算。三是避免楼板计算中方法不正确。连续板计算不能简单地用单向板计算方法代替;双向板查表计算时,不能忽略材料泊松比的影响,否则由于跨中弯矩未进行调整,将使计算值偏小。四是对电算结果的正确性作出有效评价。

2、构造设计注意的问题。一是严格按照规范要求,保证钢筋在各个部位所需满足的锚固、延伸和搭接长度,材料选用也必须满足强度要求。二是注意构件最大配筋率和最小配筋率的限值。尤其是在抗震设计中既要保证建筑结构在地震发生时具有一定的延性,又必须满足最小配筋的要求。三是按抗震构造要求设置的构造柱,应在整个建筑物高度内上下对准贯通,上至女儿墙压顶,下至浅于 500mm 基础圈梁,或伸入室外地面以下 500mm的构造柱与圈梁、楼板和墙体的拉接必须符合规范要求。

四、结语

结构设计是个系统、全面的工作。作为结构设计人员， 需要扎实的理论知识功底，灵活创新的思维和严肃认真负责的工作态度。加深对当前房屋建筑结构设计中常见问题的认识与研究，以不断提高自身的结构设计水平，使设计的作品比现阶段的其它建筑具有更高的水准、更合理和更经济的结构形式。

参考文献：

第3篇：机械结构分析与设计范文

关键词：机械设计基础 教学内容 教学方法 教学手段 课程改革

《机械设计基础》课程是机械类专业的一门重要技术基础课，它的教学直接影响到学生对专业课程的学习兴趣。随着高职教育的不断发展，客观上要求我们去完善和创新，加快高职《机械设计基础》课程改革，以满足人才培养的需要。

一、机械设计基础课程存在的问题

1.培养目标不明确

对于高职学生而言，将来所从事的职业大多是面向生产第一线。所以，学生应具有解决生产实际问题并在实际工作中应用的能力，而不需要像本科生那样，重点培养学生的创新和综合设计能力。因此，在教学中应加强学生对工程实际中常用机构、零件等知识的学习和结构的拆装等动手能力的培养。

2.教学内容应做相应的调整

课程所选用的教材普遍存在内容不符合“必须与够用”的原则，高等职业技术教育培养的是高级技术应用型人才，必须要求实践性教学环节的课时数高于理论教学课时数。

3.教学方法、手段需进一步改进

由于教学内容较多，学时有限，教师一般常采用“满堂灌”的方法讲授学习内容。教师处于主动，学生处于被动，所以不利于调动学生的积极性以及培养他们的独立思考问题、独立解决问题的能力。我们的学生没有实际工作经验，对机械的了解只限于生活中接触的范围。虽然传统教学手段和现代化教学手段已经实现了并重，但是这些手段还不足以使学生真正地了解现实的工程实践以及具有较强的感性认识，对学生工程意识的培养还存在一定的不足。

4.考核方式单一，不能突出能力培养

期末考试成绩定终身是沿用至今的成绩评定制度。然而，它并不能全面反映学生的学习态度和实际水平，有的学生平时不学习，靠考前突击，仍然可以通过考试。因此，这种成绩评定制度不利于激发学生的学习积极性，也不利于知识的理解和掌握。

二、课程改革的基本思路

在教学理念上，强调“理论联系实际”“理论为实践教学服务”，内容上以“必须、够用”为度。《机械设计基础》课程的教学改革应紧紧围绕着以学生为主体，以能力培养为中心，以专业必备要求为知识基本点，加强实践教学。以现代教育技术为手段，优化课程体系，改革教学和考试方式、方法，培养学生综合应用能力和为专业教学服务为目标，建立全新的机械设计基础课程教学体系。

三、课程内容改革与实践

1.培养目标定位、修订教学大纲

根据专业定位对原有教学大纲进行了全面修订，重新组织和完善了课程教学内容。课程目标为“掌握机械设计中常用机构和通用零件的工作原理、结构特点及设计方法，具备通用机械正确使用、维护及分析常见故障的能力”。

2.建立全新课程内容体系

新的课程教学内容，选择牛头刨床和带式输送机这两个典型的设备为载体，把有关常用机构和通用零件的内容融合在载体分析中。将力学中的扭转、弯曲强度计算与轴的设计结合，将剪切和挤压强度计算结合在螺栓联接、键联接当中，以利于学生将力学的理论知识与实际应用相结合，避免学生对枯燥的纯理论学习可能产生的厌倦心理。

四、教学方法和教学手段的改革

《机械设计基础》是一门理论性和实践性都很强的课程，学生没有实际工作经历，缺乏与此有关的感性认识。因此，教师应充分利用多种教学手段，将课程生动、直观、轻松地呈现给学生。教学方法、教学手段如下：

1.现场教学

以牛头刨床这个典型的机械加工设备为载体进行现场教学，介绍机器的组成和工作原理，以此训练学生分析机械系统的的能力。

2.案例教学法

在进行常用机构的教学时，以牛头刨床的机构分析为总任务，再将其分解为机器的认知、平面机构结构分析、平面连杆机构结构分析、凸轮机构结构分析、间歇机构结构分析等子任务，以此贯穿常用机构部分的内容。每一部分教师均先从牛头刨床中引出问题，再介绍相关机构，最后举例讨论。

3.任务驱动法

在通用零件部分教学时，以带式输送机传动装置的设计为总任务，再将其分解为电动机选择、带传动件设计、齿轮传动设计、联接设计、轴的构设计、轴承设计等子任务，以此贯穿通用零件部分的内容。每一部分教师均先从设计任务中引出问题，再介绍相关零件设计的理论和方法，最后举例讨论。设计任务就是学生的作业，学生边学边练，课程结束时完成其主要的设计计算。

4.采用实验室一体化教学

将课安排在机械原理实训室进行，采取多媒体课件讲解、模型演示和实验操作相结合的方法，充分利用教学资源，提高教学效果。

5.增设实验、实训项目，提高学生的实践及动手能力

在机械设计基础实验这个重要的实践环节，加强学生对机构、零件结构和机械设计等工程实践知识和对仪器设备的动手操作、机械结构的装拆等实际动手能力的培养，是对理论课程教学不足很好的补充和完善。保留了《轴系结构测绘》和《减速器结构装拆实验》。增设了《齿轮范成原理》是为了验证“范成法加工齿轮的原理以及齿轮加工中的根切现象”；《带传动实验》是为了验证理论课教学中的“带的弹性滑动及带传动的效率变化情况”。《轴系结构设计》实验，学生根据所提供的原始条件（如齿轮传动类型、齿轮圆周速度、蜗杆跨度等），自行选择合适的零件（如轴承、轴承盖、密封件、轴套类型），按照轴系结构设计的思路进行模拟设计或装配。

通过建立开放式的机构、零件陈列室和机械装拆实验室，使学生有更多的自主时间来安排学习，以期发挥学生在实验教学中的积极性与主动性，从而加强学生对机构、零件结构等工程实践知识和对仪器设备的动手操作、机械结构的装拆等实际动手能力的培养，确保对理论课程教学不足的补充和完善。

五、采用灵活多样的考试方式， 提高学生的综合应用能力

在考试方法上采用开卷与闭卷相结合，笔试、口试与讨论相结合，以增强考试内容的综合性与灵活应用性，突出对能力的考核。

综上所述，根据高职教育的特殊性，机械设计基础课程的教学应瞄准市场对人才的需求目标，不断地改革教学目标、教学内容、教学方法、教学手段等环节，从实用出发就能调动学生的学习兴趣，使他们学有所得、学有所长，能更好地为后续课程打下良好基础，机械设计课程改革需要我们不断地在实践中创新、总结和完善。

参考文献：

[1]郭攀成.机械设计基础课程教学内容和改革与实践[J].中国电力教育，2009，(4).

第4篇：机械结构分析与设计范文

关键词：铆接结构；动车组；失效分析；疲劳试验

1 概述

铆接结构作为一种有效的机械连接形式，在机械结构中被广泛应用[1]。由于铆接结构具有良好的安装性能、防松性能、特有的抗剪力和高夹紧力[2]、低检修、免维护性等特点，在高速动车组领域得到了广泛应用。高速动车组是一个复杂的系统工程，轮轨耦合及高速运行产生的气动载荷对车下铆接结构影响较大，在动车组高速运行时，若铆接结构存在失效，会造成飞溅，容易击伤人或击打到其他设备，甚至会造成设备脱落，酿成严重后果。为保障列车的安全、可靠运营，消除安全隐患，需对高速动车组车下铆接结构进行结构分析及状态监控。

2 车下铆接结构的应用

（1）设备安装用铆接结构如图1所示、管线支架铆接结构。

（2）设备舱底板用铆接结构如图2所示。

3 铆接结构分析

（1）安装设备用铆接结构，铆钉承受横向剪切、结构共振等复合载荷，可能会使基体安装孔变形，从而导致铆钉倾斜，引起设备异常振动；铆钉承受垂向拉伸载荷也可能改变锁紧环与铆钉圆弧凹槽密贴程度，导致预紧力的下降。

（2）设备舱底板组装大量采用铆接结构，由于此结构直接暴露在车辆底部，受结构共振、气动载荷的影响，可能会使铆钉产生疲劳断裂，导致铆钉脱落。

4 研究的内容及方法

4.1 对车下铆接结构分解研究

对已经运用10年的铆接结构进行分解检查，以换气装置逆变器用铆接结构作为试验样件如图3所示。

4.1.1 研究方法

自铆钉套环与垫块的交界处将铆钉切断，铆钉自动从孔内脱出，对铆接母材、铆接件、垫片、铆钉、铆钉套环周边进行形貌观察，对横梁安装孔和过渡梁安装孔进行圆度检测，对各部件进行探伤。以研究各安装部件是否存在裂纹，各安装面是否存在相互运动产生的摩擦痕迹，各安装孔圆度是否存变椭圆的迹象，以判断铆接结构是否失效或存在失效趋势。

4.1.2 研究过程

（1）通过对各部件形貌检测，各接触面之间未见明显的微动磨损形貌，证明各部件之间的紧固状态良好。

（2）由于设备过渡支架与横梁对使用安全影响最大，故仅对两者的孔尺寸进行计量，评估是否存在塑性变形。测量结果见表1。数据显示两个孔的直径都不均匀，圆度不均匀；由于铆钉孔呈腰鼓形（中间粗、两端细），这种形状也不太可能是工作时磨损所致。孔圆度不均匀应不是工作过程中发生的变形，可能与加工有关。

（3）将各部件沿轴向剖切成两半，进行荧光检测，未发现裂纹显示。

（4）采用体视显微镜，对七部件的孔内壁形貌进行观察，各部件形貌均不符合典型的微动磨损特征。

（5）对铆钉表面进行荧光检测，未发现裂纹。用体视显微镜观察，其表面未见明显损伤。

4.1.3 小结

根据以上检测结果，各接触面之间未见明显的微动磨损形貌，铆钉孔圆度测量不均匀，无损检测未见裂纹，孔内壁无微动损特征，铆钉表面形貌正常且未见损伤。证明铆接结构无失效特征，目前状态良好。

4.2 设备舱底板研究

系统了解其铆接结构的性能，对设备舱底板用铆钉进行了机械性能检测和疲劳试验验证。

4.2.1 机械性能检测

选取在设备舱底板中应用较为广泛的铆钉（不锈钢铆C6L90-U8-3），进行拉伸试验与剪切试验，测试结果见表2。

根据检测结果，样件的最小抗剪切载荷为12.65KN大于标准规定值12.25KN，最小抗拉力载荷为17.68KN是标准规定值的1.4倍，试验结果表明此种铆钉本身的机械性能符合要求。

4.2.2 铆接结构疲劳试验

疲劳试验子样件选取典型铆接结构，共计8个子样件。采用MTS810材料试验机，进行拉伸疲劳试验[3]，采用对称循环进行加载试验，即循环应力比为r=-1。子样件材质为不锈钢（SUS304，厚度3mm），采用铆钉C6L90-U8-3（不锈钢），铆钉套环3LC-2CU-8（不锈钢），试验现场图见图4，试验数据见表3。

试验中对疲劳试验次数超过200万次的工件按照200万次记录，数据见表3，结果表明，设备舱底板用铆接的疲劳断裂次数随拉伸力的增加而减少，在拉伸力达到2KN时，疲劳断裂次数出现锐减。但工件5的试验结果与相近工况的试验结过果差别很大，结合样件断口的形貌，分析为施工不规范导致，表明施工的差异性对铆接性能的影很大。

4.2.3 小结

结合铆钉的机械性能和疲劳试验结果，铆接结构的断裂形式表现为铆接件首先发生变形断裂，证明铆钉的强度满足设备舱运用要求。另外，观察铆钉断裂部位的铆接件母材，无1例母材裂纹，说明结构强度满足运用要求。

5 结束语

经过以上车下铆接结构的研究，结果表明设备安装用铆接结构安全可靠，运用状态良好。设备舱用铆接结构的强度设计满足要求，设计安全可靠。证明车下铆接结构的设计满足动车组运用要求，且运用状态良好。

参考文献

[1]张洪双.铆接工艺参数分析[J].机械设计与制造，2011（6）：241-243.

[2]肖贵.哈克拉铆钉技术在车辆中的应用[J].科技经济市场，2010（7）：20.

第5篇：机械结构分析与设计范文

一、教学过程中学生存在的问题

(一)设计基础薄弱

在“机械结构设计”课程讲授之前，学生仅做过“机械设计”课程设计，设计内容是减速箱。该课程设计时间短，大多数学生基本是按照例图进行改进，所以学生只是达到了“知其然，不知其所以然”的程度，没有真正的有“设计者”角色的体会。因此，对机械结构设计的过程、步骤和原则还没有清晰的认识。

(二)基础技能欠扎实

尽管学生已经学过需要预修的课程，但很多学生是为了应付考试，在学习“机械结构设计”这门课程时，以前所学的专业知识已经忘记大部分。另外，学过的知识在学生的脑海里是零碎的知识点，当时还仅仅停留在理解的阶段，离熟练应用还有不小的差距。主要表现在：看图能力不够强、空间想象能力弱、工程制图表达不清晰、对常用机构和标准件不熟悉、加工和装配工艺不了解等。

二、采取的措施

针对以上存在的问题，在介绍机械结构设计的内涵、原则、步骤和要求之后，为了使学生对机械结构设计有一个全面的、直观的认识，先以CA6140车床作为实例讲解，让学生由浅入深，培养兴趣，对比分析，启发思维。从深入了解车床运动和结构到完成课程设计，锻炼其所学知识应用能力，提高机械设计的综合素质[5]。

(一)案例教学

1.从运动分析到运动设计

在教学过程中，首先和学生一起分析CA6140车床的传动系统，包括主传动和进给传动。主运动见图1。图1(a)是传动系统简图，(b)为正转传动结构网。主运动理论有30级正转和15级反转，而实际只有24级正转和12级反转。分析了转速的特点，CA6140输出的转速是以1.26为公比等比数列(见图1(b)转速列)。其次引入标准公比、结构式、结构网和转速图的概念，重点讲解级比规律，以及设计出转速既没有重复又没有遗漏的等比多级变速系统的方法，并通过实例和作业使学生掌握此部分内容。由CA6140车床的主运动写出结构式，画出结构网，可以看出是由于第三扩大组不符合级比规律才出现了重复转速，由理论的30级变为实际24级。最后分析了CA6140的进给传动系统，介绍了内联系传动链的概念和各种螺纹以及机动进给的传动路线。在传动分析过程中，还结合CA6140车床，介绍了一些机电产品设计中常用的机械通用部件：离合器、基本变速组、换向装置、制动装置、保险装置和操纵装置等。这些通用装置就好比是机械设计中的积木，在设计过程中可以借鉴和选用。

2.从结构分析到结构设计

CA6140车床的结构分析，主要集中在传动箱和进给箱上。在主轴箱结构分析过程中，首先了解各个轴的空间布局，除了传动轴支承和定位外，重点讲解了输入轴和车床主轴的结构。输入轴上分析了卸荷装置、双向摩擦离合器操纵装置、制动装置。在主轴结构上，按照主轴要求—传动方式—支承方式—轴承选择与配置—主轴的材料和设计这一主线，使学生对精密旋转部件结构有了更深入的了解。在授课过程中，对每个结构都进行详细讲解，收集了大量同类型的结构进行对比分析，并以往届学生的错误结构为例进行分析并改正。在普通机床主轴常用到的圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承作为径向支承，图2是常用的此轴承的间隙调整结构。图2中所示的4种结构，各有优缺点。(a)结构简单，但调整量难控制；(b)调整方便，但工艺性差；(c)调整方便，但易压偏；(d)调整量能精确控制。对4种结构进行对比分析后，使学生深刻体会到结构和功能密切相关，在以后的设计中，根据使用要求进行结构设计。在进给箱中，重点介绍了互锁装置和导向装置，有多种运动可以带动刀具进给。为避免机床损坏，所以不仅要实现车螺纹和机动进给运动的互锁，而且要实现纵向进给和横向进给运动的互锁。在CA6140中，实现车螺纹和机动进给互锁是通过开合螺母结构。开合螺母能够闭合的前提是任何一种机动进给运动都未接通，如果接通一种机动进给，则开合螺母机构无法操纵闭合。纵横向进给则通过限制操纵杆在十字槽中移动来实现互锁。通过分析CA6140的互锁结构，引入了平行轴和交叉轴，两种直线运动、两种旋转运动、旋转运动和直线运动之间常用的机械互锁结构。另外，进给箱在进给运动的驱动下刀架沿导轨实现进给；开合螺母的上下螺母在导轨的导向下实现开闭，由此引入导向装置，也就是常用的导轨。接着进一步介绍其分类、特点和数控机床导轨。最后，介绍了支承件的设计原则，在受力分析和静刚度概念的基础上，采用实例讲解各类支承件的结构设计。

(二)实验环节

这门课还安排了8个学时的实验，主要是增加对CA6140主轴箱、主轴、进给箱等结构的直观认识，配合理论教学。观察实物CA6140型车床外形结构，通过实验达到以下目的：了解主运动传动链的传动路线，观察各轴的空间位置；观察双向多片式摩擦离合器和闸带式制动器的结构，了解它们的调整方法及操纵机构的作用原理；观察六速单手柄操纵机构是怎样用一个手柄同时操纵两个滑移齿轮块，以获得6种不同的传动比；了解主轴前、后轴承间隙调整方法；了解车螺纹用换向机构的结构形式。

(三)课程设计

1.设计任务

设计一台车床的主运动系统和其中一个操纵装置，转速范围一定，转速级数一定，最大加工直径和电动机功率给定。在同一个班上，每个学生的题目都不相同，使学生能够独立思考完成。

2.设计计算

在讲授运动设计之后，课程设计的题目就发到每个学生的手上，这样在课余时间，就将计算部分完成，同时也巩固所学的内容。

3.工程图绘制

在课程结束后，开始两周时间的课程设计，学生基本都可以进行到画展开图草图程度。草图画完后，按照草图尺寸进行操纵机构的计算和主轴的校核。接着完善展开图，要求清晰表达转动路线和各个转动轴、主轴的详细结构。另外还要画一张剖视图，要求表达各轴的空间位置，以及某个滑移变速齿轮的操纵机构。最后一个环节是答辩，在学生讲述后，老师指出图纸上错误的地方，让学生思考并订正。

三、教学成效

第6篇：机械结构分析与设计范文

关键词：门座起重机、模态分析

金属结构故障诊断成为工程机械领域的一个重要的研究课题，对大型化、老龄化的门座起重机而言，其金属结构的故障时有发生，严重地影响生产的安全。本论文以SDMQ1260/60E型门座起重机为研究对象，采用大型有限元结构分析软件ANSYS对其模态进行分析，得出相应的结果。为今后的维修提供可靠的数据。

1. 门座起重机建模

该起重机的转柱、门架和起重臂等构成一空间杆系结构，可简化成刚架结构，主要用梁单元进行分析计算；大平衡架为钢板焊接而成的箱体结构，应采用三维实体单元进行分析计算。

1.1 有限元网格

门座起重机结构主要是由无缝钢管和钢板组成，根据SDMQ1260/60E型门座起重机的结构特点和受力特点，可把起重机的转柱结构、门架结构和起重臂一起简化成空间杆系结构，采用ANSYS提供的空间梁单元BEAM188进行离散化，整个结构共划分了9920个单元，18717个节点。

1.2 材料物理参数

该起重机的型材选用两种材料，分别为Q235-A和16MnR，这两种材料在常温下的屈服极限分别为235MPa和325MPa，弹性模量为2.1×105MPa，材料的泊松比取为0.3，密度为7800kg/m3。

1.3 载荷工况

根据该起重机的运行状况，在考虑自重的情况下，研究起重臂处于起吊重量为60t的位置，但是空载的工况。取重力加速度g=9.8m/s2：

1.4 边界条件

门架上四个与大平衡架相连的绞点采用固定端约束形式，即6个自由度全部约束。

2. 模态分析

模态分析，也叫特征值的提取，用以求解多自由度系统自由振动的固有频率和相应振型。模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)。它是承受动态载荷结构设计中的重要参数，同时也可以作为其它更详细的动力学分析的起点。

本文通过分析计算，得到了起重机在工况位置时的固有频率和模态振型。表1为起重机起重臂处于起吊重量为60t的位置（工况1）时整机的固有频率，由考虑篇幅问题，出图1～图3，其分别为在工况1时整机的前三阶模态振型。

图1 起重机工况1第一阶模态振型图

图2 起重机工况1第二阶模态振型图

图3起重机工况1第三阶模态振型图

表1 在工况1时起重机的固有频率（Hz）

3.总结

1.通过上述 模态分析结果可知，其整体结构动刚度较好，各阶振型主要表现为塔式起重机的塔臂上下、水平和转扭运动的耦合。

2.本文计算所得结果可以为进一步研究门座起重机的动力响应分析和使用条件的合理选用奠定了技术基础，也为今后的维修提供可靠的数据。

参考文献：

[1]黄大巍，李风，毛文杰，等．现代起重运输机械[M].北京：化学工业出版社，2006.

[2]徐克宁，束志明，徐克晋，等．起重运输机金属结构设计[M].北京：机械工业出版社，1995.

[3]孙靖民，梁迎春，陈时锦,等．机械结构优化设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

第7篇：机械结构分析与设计范文

一、现行机械类专业课程结构分析 

（一）培养目标分析 

机械制造与自动化专业的培养目标是培养德、智、体、美全面发展，熟悉金属材料、机械加工、制造工艺等专业知识，掌握机床操作、产品工艺编制、设计制图、产品质量检验、设备检修维护以及产品销售等能力，能够在机械设备操作工、机械工艺员和制图技术员等岗位从事操作、工艺编制、设计、检验、检修维护和销售等工作，具有良好的职业道德和创新精神的高层次技术技能人才。具体要求有掌握电工技术方面的基本理论和基本知识；掌握公差配合、形位公差以及公差测量的基本知识和方法；掌握金属切削原理，熟悉金属切削机床；掌握机械制造工艺规程有关知识，熟悉典型零件工艺编制；掌握數控机床的指令系统，熟悉典型车、铣削件的程序编制；掌握CAD/CAM软件的基本原理和构成，熟悉三维造型；掌握平面机构的运动和受力分析，以及轴的设计计算。从专业上看，本培养目标包括数控、模具、机械三个方面；从学生专业能力看，包括知识要求、技能要求和素质要求。 

（二）课程结构分析 

从课程结构上来看，围绕专业主干课程，在专业建设委员会的指导下，在深入行业企业进行调研的基础上，明确本专业的主要就业需求岗位及相关职业资格标准。系统分析胜任主要就业岗位所具备的知识、能力、素质要求，对接职业资格标准，构建了“三平台+四模块”的课程体系，即公共课程平台、专业大类课程平台、专业主干课程平台为支撑平台，以选修模块、专业方向模块、课外学分模块为补充和提高。总学分不低于166学分，专业选修（拓展）学分不少于4学分，公共选修课学分不低于12学分，课外学分不低于8学分。公共课程总学分33，专业大类课程总学分42，专业主干课程总学分22，专业方向课程总学分12，专业拓展总学分4，公共选修总学分12，总学时3084，实践总学时数占专业总学时数的百分比为51.88%。 

我国机械类专业经过几年的探索和实践，在国外机械类课程体系的基础上进行整合优化，已基本形成了适合我国国情的机械类课程结构。其专业主干课程有机械制造工艺与机床夹具、电气控制与PLC、液压与气动技术、机械产品质量控制、CAD/CAM软件应用、数控机床加工编程与操作、数控机床故障诊断与维修等共10门课程。 

现行机械类专业的实践教学构建与实施包括基本技能训练、专业技能训练、综合技能训练和顶岗实习四层的“四阶递进式”专业实践教学体系。做到校内学习与实际工作融通：通过数控仿真教学模拟企业操作环境；通过金工实训、数控加工实训、CAD/CAM实训等综合实训项目培养学生的实践动手能力，做到系统训练本专业岗位通用技能和专门技能。顶岗实习由专任专业课教师和企业兼职教师共同指导，校内考核与校外考核结合的教学过程，实现课堂学习与实训实习地点的“一体化”教学，实现学院倡导的“做中学、学中做”的实践教学理念。 

现在的高职院校，在一年级普遍开设了计算机文化基础、高等数学等的基础课程，给学生两年后开设专业主干课和专业选修课打下了良好的基础。从总体上看，高职院校机械类专业和普通高等院校机械专业雷同，我认为这样是不合适的。因为普通高等院校培养出来的学生是研究型的，而高职院校培养的是高层次技术技能人才，在实践能力和创新能力培养方面尤为重要，所以专业人才培养方案应该有本质的区别，课程体系结构应重新构建。 

二、课程体系的改革措施 

（一）重新优化课程体系，实现机械类课程间的有机融合 

课程融合不是不同科目内容的混合并列，而是相关专业课程的有机融合，必须根据机械类专业培养目标定位和分析胜任主要就业岗位所具备的知识、能力、素质要求，对接职业资格标准，设置公共课、专业课和选修课。 

（二）重构课程体系，使课程内容与职业岗位需求相适应 

学院组织人才培养方案修订研讨会，各专业聘请1～2名行业、企业专家参加了研讨。与学院、系领导和行业企业专家从服务区域经济社会发展出发，坚持以发展服务为宗旨，以促进就业为导向，以职业能力和素质培养为目标，对各专业对应的职业工作进行了细致的分析。在宏观上把握区域经济社会发展及行业、企业的人才需求，在微观上按照工作过程对各专业工作岗位工作性质、任务、责任以及任职人员的知识、能力和素质条件进行了全面和系统的研讨分析，确定了各专业的典型工作任务，归纳出了各专业的学习领域，使课程内容与职业岗位需求相适应。 

以上是机械类专业有关课程结构问题的初探，改革机械专业课程教学模式，从而构建高效的课程结构体系。课程体系构建有利于课程的有机融合，使课程内容与职业岗位需求相适应。 

参考文献： 

第8篇：机械结构分析与设计范文

关键词：CAD技术；钢结构；计算机辅助；结构分析；信息交换

中图分类号：TU2 文献标识码：A

CAD技术概述

计算机辅助设计(CAD)技术是跨计算机科学与工程科学的边缘学科。计算机辅助设计系统提供了设计者设计工作所需的各种资源，包括建立设计对象的模型、实体设计与图形设计及图形显示、工程计算及优化、功能建模及运动建模、产品设计所需的标准规范及材料的基本性能、工艺参数等工程数据，包括产品数据的表达(如几何形状及尺寸、几何与拓扑表达、结构配置、材料及性质、功能描述、制造要求等)，包括数据交换标准、方法及工具，与系统交互作业的用户接口。

计算机辅助设计是为设计者提供，设计者利用计算机辅助设计系统的资源，对产品设计进行规划、分析、综合、模拟、评价、修改、决策并形成工程文档的创造性活动。设计者的创新能力、想象力、经验与直觉和计算机的高速运算能力，图形显示与处理能力有机结合，综合运用多学科的相关技术完成问题求解，产品设计及产品描述，极大地提高设计工作效率，为无图纸生产提供了前提和基础。

CAD技术于二十世纪五十年代后期起步，随着计算机技术和计算机图形学技术的应用，计算机工程绘图成为可能。CAD技术广泛应用于建筑、机械、化工、航天、电子等工程设计和产品设计领域，CAD技术的应用对现代科学技术的发展极具贡献。

CAD技术应用在钢结构中的主要功能

（一）计算机辅助分析

有限元技术的应用推动了计算机辅助技术在结构设计中的应用。有限元分析方法是把复杂的求解区域（连续体）分解为有限个形状简单的子区域（单元），通过这种把连续体离散化的方法，把求解连续体的场变量（应力、位移、压力和温度等）问题简化为求解有限个单元节点上的场变量值。从而把求解连续体问题的微分方程组化为代数方程组。求解的精度取决于所采用的单元类型、数量以及单元的插值函数。

现在这种方法已经广泛应用于工程技术领域。一些大型结构分析通用软件，如ADINA、ABAQUS、SAp、ANSYS、MARC等，都可以进行结构的静力分析、动力分析、弹塑分析以及断裂和复合材料力学分析；求解结构的应力、位移和温度分布以及频率特性。这些通用软件经过多年的研究与改进，稳定性和结果的可靠性不断提高，成为结构分析研究的主要工具。但是通用软件也有其局限性，由于通用软件不能够充分考虑结构设计的特殊问题，结构分析的前处理建模和结果输出后处理非常繁琐。

随着结构有限元和计算机算法技术的应用，产生许多专用软件，利用这些软件可以实现结构分析的计算机化，特别是功能强大的结构分析软件，不仅可以完成结构分析设计，而且可以根据设计人员的要求绘制完整的工程设计图纸和节点大样图纸。

（二）计算机的辅助设计

结构设计软件可以把不同性质的材料特点以及设计规范完善考虑，按照工程设计的具体要求，CAD系统得以形成。国内的一些钢筋混凝土的CAD系统，在开发问题上较为灵活，一方面能够开展基本构件的设计，以及结构的计算分析流程，另一方面还能够按照不同的要求对施工的图纸自动生成。一些钢结构的分析能够应用在CAD系统中，可是和钢结构的具体需求上，还是会存在着一定的差异性，不能够细致的考虑到整体的结构设计。钢结构在设计方面，当前所使用的方式要将专用软件或者通用软件所完成的构件设计、结构的分析设计放在首位。

此外，还要使用AutoCAD等绘图系统对图纸进行全面的绘制。例如：梁支撑节点、柱间支撑、吊车梁的牛腿节点、柱脚的节点、柱与梁的拼装节点等都是手工对其完成的。

（三）计算机辅助设计与制造集成化

在发达国家，钢结构CAD系统的研究已经处于计算机辅助设计与制造集成化时期，利用三维模型技术，生成复杂的结构实体，并且能够自动完成结构构件和标准节点的设计，产生用于工厂车间加工的图纸，可以与数控机床实现数据交换，设计结果文件可以直接用于加工。用户通过图形交互界面，利用三维建模技术，生产复杂结构实体，并能够自动完成结构构件和标准节点设计，设计人员可以根据自己的要求修改节点。基于三维技术，设计人员可以在屏幕上见到实体结构模型，及时分析问题并进行修改。

三、CAD技术在我国钢结构设计中的应用

我国钢结构CAD技术经过几十年的应用已经取得很大成就，其应用主要经历了以下阶段：

（一）结构分析计算

二十世纪八十年代左右，建筑工程领域应用计算机进行数值计算、分析和设计结构。进行结构分析和设计的软件的输人和输出均采用数据文件形式，对二项工程的结构分析设计需要计算多次，每次都要对数据文件进行修改，应用很不方便，容易出错。

（二）前后处理结构计算

为了克服数据文件经常修改的弊端，开发研究了具有前后处理的结构分析计算软件。采用人机交互的方式输人数据，直观、简便、准确并大大提高了工作效率，但是这种软件处理的结构比较规则，对于复杂的结构形式使用有局限。

（三）结构CAD及其系列化

结构CAD在设计行业使用较为普遍，使用效果也很理想。开发结构CAD系列的工作量很大，不仅涉及到图形显示，而且还涉及到计算理论和各种规范的要求，并且以较高自动化程度完成施工图纸的绘制。目前，我国使用较广的CAD系列软件有PKPM系列、TBSA系列等，这些软件的推广应用提高了建筑结构的设计水平，对建筑业的发展起到了巨大的推动作用。

（四）面向对象的钢结构CAD系统

分析当前的建筑结构微机CAD系统不难看出，传统的CAD系统一般是基于DOS操作系统或AUTOCAD图形支撑平台用结构，化方法开发的。通常将整个系统按功能分成不同模块，通过模块间数据交换实现操作过程。当系统需要更新或扩充时，由于各模块间的密切联系，局部修改会影响整个系统，结构化方法实现的CAD系统维护工作量很大。此外，DOS本身的内存管理能力弱，开发大型系统时要采用覆盖连接、分步运行等技术，运行速度慢，界面不够友好。WINDOWS的出现和O一O技术的成熟，为CAD系统的研究开创了新的前景。

1、面向用户的应用程序

这是整个系统的控制中心，直接与用户交换信息。借助于VC++的MFC类库可很容易建立优秀的用户界面。用户通过菜单、图标、对话框等标准界面形式向应用程序输入信息，提出建模、分析、设计及绘图要求，应用程序将输入信息存入中心数据库，并根据要求向有关对象发送消息，请求操作，然后将结果送回中心数据库以备其它操作调用。

2、存储信息的中心数据库

这是整个系统的信息中心，所有与结构设计有关的数据和图形信息都存储在这里。可采用面向对象数据库(ODBMS)，关系型数据库(RDBMS)或自定义数据库模型对数据和图形进行管理。无论是。DBMS还是RDBMS在管理复杂的数据结构时都比自定义数据库模型有明显的优势，利用Microsoft的开放数据库连通性(ODBC)标准和SQL语言应用程序可直接访问常用的数据库文件。

3、实现信息交换的管理程序

在面向用户的应用程序中，结构分析部分已经相当完善，可在CAD系统上外挂已有程序进行结构分析，并将结果存入数据库。现有分析程序的文件格式可能与中心数据库的文件格式不同，必须利用管理程序做相应的转换才能实现已有程序与中心数据库的信息交换。但是用VC++类库建立的设计和绘图应用程序可直接访问中心数据库。

4、面向设计对象的专业类库

这是面向对象CAD系统的核心。将钢结构设计过程和设计方法抽象成各种对象，如材料、截面、构件等，并建立相应的类。

一般来说，结构构件设计是主要设计环节之一，可通过建立抽象的构件设计基类来实现。抽取各种构件设计的共同特性，如内力、钢号、几何长度等，作为基类数据；抽取强度验算、刚度验算、稳定验算等操作建立虚函数，在导出类中重新定义，具体实现。

根据我国钢结构设计规范的要求，在构件设计的抽象基类上建立轴心受力构件、受弯构件、拉弯压弯构件三个继承类，再根据截面形式、加工方法的不同导出相应的子类，以完成各种构件的设计。

结语

综上，在研究CAD技术的过程中，一定要将计算机硬件透彻了解，才可以把钢结构的设计需求有效掌握。施工图中的自动生成能力是CAD 技术的基本性能，要把专业类库有效建立，钢结构能够组成的基本对象为型钢、焊缝、螺栓以及钢板，CAD 能够让具有实际意义的结构对象得出，让手工的设计和系统设计保持统一。

参考文献

[1]武贵中，陈伯芳，章军，刘正元.CAD 技术在钢结构设计中的应用[J].鸡西大学学报，2004.6.

第9篇：机械结构分析与设计范文

关键词 葫芦门式起重机 超长外悬 悬臂处静态刚度

中图分类号：TH213.5 文献标识码：A

1 概述

某起重机制造公司设计的电动葫芦门式起重机，型号为MH25-36A3，额定起重量为Q=25t，跨度L=36m，工作级别A3，外悬长度为L=16m（有效外悬为15m），有效外悬与跨度比为5/12，《JB/T 5663-2008 电动葫芦门式起重机》3.2.6要求“有效悬臂长度（L1、L2）一般不大于S/3”，此台起重机有效悬臂超出设计标准要求的范围。因此本文提出以超长外悬葫芦门式起重机为研究对象，在采用以经典力学为基础的理论和经验设计法的传统设计方法基础上，进行金属结构设计，针对超长外悬的葫芦门式起重机的悬臂静态刚度不能满足设计标准要求问题，改进了主梁悬臂处的结构，并建立门架外悬平面力学模型进行分析，验证了改进后主梁结构的合理性和工艺的可行性，使主梁强度和悬臂静刚度满足使用要求。

2改进前悬臂处结构分析

按JB/T5663-2008电动葫芦门式起重机规定对于A3门式起重机外悬许用垂直静刚度为[Y1] = = 42.8（mm），此处Y1>[Y1]，主梁悬臂端垂直静刚度超过标准要求，主梁结构必须改进来保证垂直静刚度。

3改进后悬臂处分析计算

为满足该设备的使用性能和安全性能，在外悬上离支腿法兰盘中线1000cm处加斜拉锁加强与主梁连接，保证其性能。门架结构改进后示意图如图1所示。

在主梁悬臂处加设斜拉锁，斜拉锁为槽钢合成矩形方钢（采用18槽钢），单根矩形方钢的截面积为A=2929mm2，建立平面力学模型如图3.2示。

以C点为研究对象，斜拉杆AC与杆BC在垂直载荷P作用下产生下挠，由此可知，斜拉杆垂直下挠了f值，C点也下挠了f值。