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塔机是一种能实现全回转的起重机器,广泛用于高层建筑施工领域。现有的塔机结构的设计主要是采取传统类比法和静态分析法,导致塔机存在着结构自重大、动态性能差等问题,这也成为塔机事故频发的重要原因之一。本文以西安京龙工程机械公司同款塔机改良设计为依托,将QTZ5010型塔机作为研究对象,结合pro/e三维建模技术、有限元分析技术和现代结构优化设计理念,对QTZ5010型塔机整机结构进行静力学分析和动态研究,发现现有设计中的不足之处,并运用现代机械优化设计先进理论对QTZ5010型塔机起重臂进行合理优化,为同型号塔机结构设计与改进提供参考依据。论文主要研究工作如下:(1)借助pro/e软件对塔机结构进行合理简化,建立QTZ5010型塔机各结构的三维模型,利用pro/e和ANSYS数据转换技术,建立塔机结构有限元模型。对三种较为典型工况下该起重机的吊臂结构的静强度与刚度进行校核,得到应力、应变云图和最大应力应变位置,为吊臂结构优化提供数据参照。(2)对塔机标准节、塔身、回转机构以及吊臂等主要结构部件进行约束模态和自由模态分析,确定塔机标准节、塔身、回转机构以及吊臂等主要结构部件的振动特性,校核了该结构动刚性与强度,并为该型号塔机防共振设计提供依据。(3)采用特征值屈曲分析方法对塔机塔身结构的稳定性进行屈曲分析,得到了塔身结构在不同工况下的屈曲载荷和屈曲模态,为该型塔机稳定性分析提供参考依据。(4)建立塔机吊臂结构的参数化数学模型,以结构轻量化为目的,选用Sub-Problem法和First-Order法进行迭代求解,得出优化结果比优化前质量减轻了11.6%的结论。以优化后的结构尺寸为基础,建立优化后的吊臂结构有限元模型,在相同工况下进行强度分析,分析结果表明优化后的结构尺寸合理。本文通过理论研究,软件仿真等方法,实现塔机结构强度、刚度、模态等性能的仿真分析,达到减重309kg的目标,为QTZ5010型塔机结构的改良设计提供参考,降低企业制造成本,具有良好的经济效益。