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                        混凝土預制構件吊裝作業自動取放、空中調姿設計方案

                        添加時間:2019/07/02 來源:西安建筑科技大學 作者:王帥
                        以此本文以鋼筋混凝土裝配式建筑吊裝施工為目標,在分析鋼筋混凝土預制構件及其吊裝施工特點的基礎上,針對工程應用,采用集成創新的研究方法,進行了鋼筋混凝土預制構件自動取放和調資吊具方案設計。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          預制混凝土裝配式建筑因其符合綠色建筑要求、便于工業化生產建造和信息化管理的特點,近年在我國得到大力支持,并且發展迅速。而實現工業化施工是提高預制裝配式建筑施工質量和效率的核心,其中通過提高施工現場預制構件吊運安裝、調姿就位、構件接縫澆筑、建筑外立面施工等作業的機械化和自動化程度是實現工業施工的關鍵。但目前裝配式建筑構件施工作業主要采用傳統起重吊裝設備和人工作業,施工效率低,人員安全隱患大。為此政府啟動了關于施工現場高效吊裝安裝關鍵技術與裝備的國家重點研發專項計劃,目的是研發適用于工業化建筑施工構件吊裝的具備構件自動取放、吊運安全路徑自動規劃、構件空中自動調姿與尋位安裝、構件豎縫澆筑施工等關鍵技術與裝備。而研發適用于預制構件自動取放、調姿就位專用吊具是實現構件高效吊裝的關鍵技術之一。

                          本文通過分析預制混凝裝配式建筑預制構件的特點及其吊裝作業要求,采用集成創新的方法,確定了一種用于混凝土預制構件吊裝作業的具有構件自動取放、空中調姿功能的專用吊具的設計方案,并對所設計方案按功能進行分解,對關鍵零部件細化設計,建立零部件三維模型并進行整體裝配。對關鍵結構:剪叉式空間機械臂結構作運動學、穩定性分析及仿真驗證。主要的研究過程和結論如下:

                         。1)需求分析和總體方案設計:在調查研究和分析國內外預制混凝土裝配式建筑發展現狀和趨勢基礎上,結合構件吊裝作業施工特點,總結混凝土預制構件吊裝施工技術和設備研究和應用情況、存在和需要解決的問題。確定構件自動取放和調姿作業功能要求,根據功能要求,通過不同方案優劣對比,建立吊具總體設計方案;(2)分步方案設計:根據構件吊裝吊具的總體設計方案,確定采用電動推桿驅動吊鉤實現吊鉤對吊點的自動脫掛鉤;采用基于繩驅的剪叉式折疊機械臂實現吊鉤自由度控制和構件起重升降;采用絲杠模組機構實現吊鉤間距對構件吊點間距的適應性調整;采用回轉支撐機構實現對構件吊裝過程的水平姿態調整。

                         。3)關鍵零部件細化設計:根據總體設計方案,分別對自動脫掛鉤結構、剪叉式折疊升降結構、吊鉤與吊點間距適應性調整機構、預制構件水平姿態調節回轉機構及其相關的關鍵零部件結構進行設計和分析,并采用 solidworks 對零部件進行三維建模并完成虛擬裝配。

                         。4)剪叉式起升機械臂機構運動分析和結構靜力學分析:對自動取放吊具關鍵部件—剪式折疊機械臂進行運動學分析;采力法和矩陣位移法對剪叉式吊臂工作狀態受風載影響的最大變形進行理論分析、并通過 ansys workbench 對其進行仿真驗證。確定剪叉式吊臂結構在風載的干擾下其執行末端形變位移量滿足自動取放吊鉤對構件的脫掛鉤條件。

                          關 鍵 詞:鋼筋混凝土預制構件;自動取放;剪式機構;結構設計

                        Abstract

                          Prefabricated concrete structure have received strong support in recent years because of their characteristics of meeting the requirements of green buildings, facilitating industrialized construction and information management, and develop rapidly. The realization of industrial construction is the core of improving the construction quality and efficiency for prefabricated buildings. Among them, by increasing the degree of mechanization and automation of prefabricated component operations at the construction site,such as handling and installation of prefabricated components, posture adjustment and seating of prefabricated components, joint casting between components, external wall surface treatment, etc, which is the key to achieved industrial construction. However, at present, during the construction of prefabricated buildings, lifting and installation of prefabricated components mainly adopts traditional lifting equipment and artificial auxiliary operations.The construction efficiency is low and the hidden danger of personnel safety is large.To this end, the government launched a National Key R&D Plan for key technologies and equipment for efficient hoisting and installation at the construction site.The aim is to develop key technologies and equipment for automatic picking and placing of prefabricated components, automatic planning of safety paths for prefabricated components lifting, automatic adjustment of prefabricated components attitudes and seek installation, and construction of gaps between prefabricated components,for lifting and installation of prefabricated components in industrial building construction,the research and development of a special spreader suitable for picking and placing the prefabricated components automatically, and attitude adjustment automatically is one of the key technologies for the efficient hoisting of prefabricated components.

                          In this paper, by analyzing the characteristics of precast concrete of prefabricated construction, and the requirements of lifting and installation of the precast concretes,a mechanical structural scheme was designed for the automatic pick and place the precast concretes and adjust the gesture of the precast concretes during the process of hoisting and installing of the precast concretes with the integrated and innovative approach.And have decomposed the designed program according to the function,refined design to the key components ,modeled the three-dimensional of the parts and establish a three-dimensional model of the whole structure on this basis,.have analyzed the kinematics, structural stability and simulation verification of the spreader scissor type space manipulator structure,which is the key structure of the overall structure . The main research process and conclusions are as follows:

                          (1) Demand analysis and overall program design: Based on investigation and analysis of the status quo and trends of prefabricated concrete prefabricated buildings at home and abroad, combined with the characteristics of component hoisting operations, summarizing the research and application of prefabricated concrete hoisting technology and equipment, and the existence of And the problems that need to be solved. Determine the functional requirements of automatic pick and place and position adjustment operations for components, and establish the overall design of the spreader by comparing the advantages and disadvantages of different programs according to functional requirements;

                          (2) Step-by-step design: According to the overall design of the lifting slings of the components, it is determined that the electric hooks are used to drive the hooks to realize the automatic hooking off of the hanging points; the scissor-type folding robot arm based on the rope drive is used to realize the lifting. The hook degree of freedom control and the lifting and lowering of the components; the use of the screw screw module mechanism to achieve the adaptive adjustment of the hook spacing of the hanging point of the component; the use of the rotary support mechanism to achieve the horizontal attitude adjustment of the component lifting process.

                          (3) Detailed design of key components: According to the overall design scheme, the automatic decoupling structure, the scissor-type folding lifting structure, the adaptability adjusting mechanism of the hook and the hanging point, the horizontal attitude adjusting slewing mechanism of the prefabricated component and the related key zero The component structure is designed and analyzed, and solidworks is used to model the component in three dimensions and complete the virtual assembly.

                          (4) Motion analysis and structural statics analysis of scissor lifting robot mechanism: analysis kinematics of scissor folding robot arm of the automatic pick and place spreader key components.analysis the maximum deformation of the shear fork-type structure under the influence of wind load by the principle of displacement superposition and matrix displacement principle, and verified by ANSYS workbench.The scissor-type mechanical arm structure was obtained and the deformation displacement of the end was performed. Under the disturbance of the wind load, it was verified that the automatic pick-and-place hook meets the hook condition of the prefabricated component.

                          Keywords: Reinforced concrete prefabricated components; Automatic pick and place; Scissor mechanism; Mechanical analysis.

                          裝配式建筑作為工業化建筑的主要建筑形式,即通過將預先設計、制做好的建筑材料或部件在建造施工現場進行拼裝和固定而形成的建筑結構。若以不同建筑建造材料和建造技術作為分類的基礎,可以將裝配式建筑系統定義為以木材、鋼結構、現澆混凝土、預制混凝土或者由此類建筑材料組合使用而形成的空間封閉結構[1]。

                          現代裝配式建筑主要是以鋼結構、預制混凝土部件作為主要的建筑材料的建筑類型,其中以鋼筋混凝土預制構件作為建筑構造基礎的裝配式建筑,其特點是將組成建筑建體的大量建筑構件如各類墻板、樓梯、梁柱,以及疊合板、陽臺、飄窗等部件,根據建筑結構預先設計,并通過工廠進行標準化生產,然后把已成型的各類建筑預制構件運輸至建造施工現場,采用機械設備及專業人員進行吊裝作業。相比現澆建筑體系的施工作業,其工序和工作量都可以通過更加規范的流程化手段大幅度的減少,同時可有效的減少建筑建造成本[2-3],較好的控制施工質量,隨著新興建筑建造技術的發展,如 BIM 技術,裝配式建筑的模塊化建造理念與 BIM 技術等新興建筑建造技術相結合[4],形成裝配式建筑信息技術應用平臺,對建筑的全生命周期進行整合[5],且在前期的建筑整體結構設計和預制構件設計時,還可同步考慮裝修一體化設計,進一步提高建筑建造效率,使得建筑施工的生產效率大幅度提高。

                          裝配式因其符合工業化建筑的特點,較早的在德國、日本、美國、法國、加拿大、新加坡等國外工業化較高的國家發展起來[6-9],并且在政策和技術的不斷推動下,其發展和完善過程表現為從標準化和工業化發展到多元化和集成化,最終到現在的信息化的過度[11]。

                          不僅解決了建筑建造所需混凝土預制構件生產的標準化、工廠化和建筑結構多樣化之間的矛盾[12],同時兼顧了生產效率、集成裝修以及裝配式結構減震、隔震等問題,因此在這些工業化程度高、經濟發展較好的國家和地區,都根據自身不同的自然和人文條件,對裝配式建筑的發展采用了不同的方法和道路,并取得了很大的成就,并且整體過程表現為:從濕法澆筑體系到采用現澆和預制裝配相結合,再到盡可能干法裝配體系的方向發展;從資源浪費型向綠色產業化方向發展,從注重建筑結構的預制和施工機械化向整體過程的系統化、集約化以及信息化管理的方向發展[13]。

                          在我國,預制混凝土裝配式建筑相對德國、日本、美國、法國、加拿大等工業化程度較高的國家雖然起步較晚,但近幾年裝配式建筑因其建造效率高、符合綠色、工業化建筑要求的特點,在國家經濟實力不斷提高、建筑業的快速發展以及發展模式急需轉型的前提下,得到廣泛關注和快速推廣。為此國家出臺了相應的政策法規,以優化建筑產業結構,加強技術研究,推進建筑的節能減排,達到可持續發展為目的,要求盡快推進和實現建筑及構件設計、生產的標準化和工廠化,推進施工過程機械化和自動化等[14],目的是通過技術改造和創新,提高裝配式建筑建造水平和其在總體建筑體量中的占有率,以逐步實現建筑工業化和現代化。所以當前我國建筑業處于由以混凝土澆筑建筑體系為主的傳統建筑向以裝配建筑為主的工業化建筑體系轉型時期,由于兩者建造方式存在差異性,導致與裝配式建筑相關的設計、施工等過程在技術和經驗上積累,以及相關專業人員素質和數量需求上出現斷帶的現象,尤其是在裝配式建筑的預制構件吊裝施工過程中存在一些列問題,此因素也是成為制約當前預制混凝土裝配式建筑在我國推廣的關鍵原因之一。

                          建筑設計與施工一體化是實現裝配式建筑工業化建造的關鍵,由于傳統澆筑結構一般經由設計單位設計,轉施工單位按照設計方案進行施工,雖然裝配式建筑遵從同樣的建造流程,但是裝配式建筑相對于傳統澆筑結構起步晚,尤其在我國目前能將設計和施工一體化綜合考慮的機構有限,另外因為專業施工人員和設備欠缺等原因,使得施工過程中存在施工組織方式和施工設備等無法滿足設計標準及效率要求,或者設計方案未考慮到施工的可操作性,根據陳偉等人的研究表明[15]

                          ,目前在鋼筋混凝土預制構件吊裝操作及相關作業過程中,專業人員技能素養和構件吊裝水平是影響裝配式建筑施工安全和施工質量、能效的關鍵因素,而構件吊裝水平很大程度上由預制構件吊裝設備的適用性和吊裝操作水平所決定。

                          由于在土地資源緊張的條件下,目前很多城市建筑以高層建筑為主,且鋼筋混凝土預制剪力墻裝配式建筑是其主要的發展方向之一,該結構形式在建造施工時對施工裝備,尤其是起重裝備的就位性能要求發生了本質的變化,從現有少量的鋼筋混凝土預制裝配建筑的示范性建造中,已經充分的暴露了現有建筑施工起重裝備的不適應,此現象已經成為阻礙混凝土裝配式建筑技術及其發展的主要原因之一,主要體現在:建筑構件在吊運行程中構件姿態不可控,造成構件撞損嚴重、后期修補工作量大且建筑總體質量不易保證;因設備自身的晃動及微動控制性能不足,造成構件精確就位困難、作業效率低;構件方位角、水平度、標高及垂直度調整困難、用工量大、作業勞動強度大、安全保障差;豎向構件臨時支護作業效率低、可靠性差;豎向構件需人員攀爬到高空摘掛鉤,困難且危險;外掛架屬零時工具,因安全事故率高已在多地禁止使用等。

                          針對裝配式建筑構件吊裝施工中存在的問題,在裝配式建筑的工業化施工或機械化施工發展較早的歐、美、日等發達國家,由于建筑工業化起步早,其相關技術研究及應用也較為先進,且注重對施工專業人員素養培訓,從業人員數量也已經基本滿足其施工要求,并且其用于預制構件吊裝施工的機械設備自動化程度較高,在關鍵技術方面的研究也處于較領先水平。而且隨著目前現代化建設項目規模不斷擴大、復雜程度的增加,在國外裝配式建筑發展較成熟的國家,一些機構開始將許多新技術,如以計算機和機器人為代表的自動化技術以及新材料技術等也不斷被引入到工業化建筑吊裝施工相關領域。日本作為裝配式建筑建造技術最發達國家,還針對樓層較高的裝配式建筑研發了自動化建造體系,使得其高層裝配式建筑吊裝施工自動化技術及應用的研發也處于領先地位,例如日本株式會社大林組研發的 “BIG-CANOPY”是集自動化與現代計算機技術管理系統于一體的,針對預制鋼筋混凝土結構高層建筑的自動化施工體系,大幅度提高了高層預制鋼筋混凝土建筑的建造效率,逐步實現了施工過程的標準化、信息化,提高工程質量,縮短工期,改善工作環境,節約開支等,該技術成功應用于日野村不動產公司的高層公寓建筑建設,以及日本其它地區高層住宅建設和新加坡等地的高層預制鋼筋混凝土建筑建設中。類似的還有日本 Obayashi 研發的大樓全自動施工系統“ABCS” 等。此外如歐美和新加坡等國家已經開始了對工業化建筑施工機器人的研究[15],其中就包括用于預制混凝土構件吊運安裝施工用的機器人或機械臂。

                          筑施工相關技術的研發和應用也是緊緊圍繞此類建筑體系的施工需求開展,通過上世紀八十年代的技術引進、消化吸收以及追蹤研究,在國內建筑業高速發展的推動下,我國在建筑起重設備的研究和應用上,如各類型塔式起重機、移動式起重機等,已經基本滿足了現澆鋼筋混凝土結構等傳統建筑類型的施工中對相關建造物料的起重吊運作業,技術水平也比較先進。隨著國內裝配式建筑的興起,有部分機構已經開始了關于建筑構件或建筑材料吊裝施工有關研究和應用。

                        混凝土預制構件吊裝作業自動取放、空中調姿設計方案:

                        卷揚機構結構二維圖
                        卷揚機構結構二維圖

                        繞繩量計算簡圖
                        繞繩量計算簡圖

                        卷筒二維裝配圖
                        卷筒二維裝配圖

                        剪式折疊結構
                        剪式折疊結構

                        剪叉桿結構
                        剪叉桿結構

                        動滑輪裝配二維剖面圖
                        動滑輪裝配二維剖面圖

                        滑軸連接
                        滑軸連接

                        導向板
                        導向板

                        自動取放吊鉤機構
                        自動取放吊鉤機構

                        吊鉤組連接板
                        吊鉤組連接板

                        目 錄

                          1 緒 論
                            1.1 研究背景
                              1.1.1 裝配式建筑及其特點
                              1.1.2 裝配式建筑的發展現狀
                            1.2 預制構件吊裝施工存在問題和對策
                              1.2.1 預制構件吊裝施工存在問題
                              1.2.2 預制構件吊裝施工問題的對策
                            1.3 物料自動取放技術研究現狀
                            1.4 裝配式建筑構件自動取放裝置研究現狀
                            1.5 主要研究內容
                            1.6 研究方法
                            1.7 技術路線
                          2 吊具整體設計方案
                            2.1 設計要求
                              2.1.1 功能要求
                              2.1.2 性能指標
                              2.1.3 其他要求
                            2.2 總體設計方案
                              2.2.1 吊裝對象及吊裝方案分析
                              2.2.2 自動摘掛鉤方案設計
                              2.2.2 基于繩驅動的剪式升降起重臂方案設計
                              2.2.3 起升機械臂間距調整裝置
                              2.2.4 構件水平姿態調整回轉支撐機構
                            2.3 構件自動取放吊具整體工作過程
                            2.4 本章小結
                          3 繩驅剪式機械臂關鍵零部件設計
                            3.1 卷揚機構的設計
                            3.2 空間剪叉式折疊機構關鍵零部件設計
                              3.2.1 剪式折疊結構的設計
                              3.2.2 剪叉運動導向板設計
                            3.3 構件自動取放吊鉤機構設計
                              3.1.1 吊鉤設計
                              3.1.2 吊鉤組連接板設計
                          4 剪式升降機構的運動和靜力學分析
                            4.1 剪叉式升降機械臂機構運動分析
                            4.2 剪式機械臂受力分析與仿真
                              4.2.1 空間剪式機械臂風載分析
                              4.2.2 空間剪叉式機械臂主迎風面應力應變分析方法
                              4.2.2 空間剪叉式機械臂次迎風面應力應變分析方法
                            4.3 剪叉式機械臂風載仿真分析
                            4.4 本章小結
                          5 結論與展望
                            5.1 結論
                            5.2 創新點
                            5.3 展望
                          參考文獻
                          附 錄
                          致 謝

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