基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ和ＡＮＳＹＳ的大型全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

時(shí)公賀　梁　崗

摘 要：為合理設(shè)計(jì)某大型全回轉(zhuǎn)架梁大起重力矩起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)，利用SolidWorks對(duì)其整機(jī)各個(gè)部分進(jìn)行三維建模并導(dǎo)入ANSYS軟件中，對(duì)其整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析. 該方法充分利用SolidWorks快速準(zhǔn)確建模的特長(zhǎng)，很好地解決ANSYS建模能力不足的問(wèn)題，不僅有效提高建模速度和模型質(zhì)量，而且簡(jiǎn)化分析工作，提高模型準(zhǔn)確性. 根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整設(shè)計(jì)方案，合理布局整機(jī)結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用高強(qiáng)度材料減輕整機(jī)重量，使其滿足工程實(shí)際要求，提升總體設(shè)計(jì)水平. 該方法可較快獲取大型全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方案，縮短設(shè)計(jì)周期，完成較為完整的起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)分析，對(duì)工程機(jī)械的設(shè)計(jì)具有較好借鑒作用.

關(guān)鍵詞：全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析；SolidWorks；ANSYS

中圖分類(lèi)號(hào)：U663.921；O346；O241.82

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Structural strength analysis on large full-circle slewing beam crane based on SolidWorks and ANSYS

SHI Gonghe1，2，LIANG Gang1

(1. College of Logistics Eng.，Shanghai Maritime Univ.，Shanghai 200135，China；

2. Shanghai Baosteel Industry Inspection Corp.，Shanghai 201900，China)

Abstract：To design the steel structure of a full-circle slewing crane with large load moment rationally，3D model of each part of the whole structure is built for a crane by SolidWorks and introduced into ANSYS，and then the finite element analysis is done for its whole structure. In the method，the advantage of fast accurate modeling of SolidWorks is fully taken；the problems of lacking modeling ability in ANSYS are solved；not only are the modeling speed and quality improved effectively，but also the analytical work is simplified. According to the computation result，the design proposal is adjusted，the whole structure is arranged rationally，and the high strength materials are selected to reduce the whole weight. So it is designed to meet the actual project requirements and the whole design level is enhanced. The method can obtain an optimal proposal for the structure design of full-circle slewing beam crane，shorten the design cycle，achieve comparatively complete whole structure analysis，and provide a good reference value for the structure design of engineering machines.

Key words：full-circle slewing beam crane；structural strength analysis；SolidWorks；ANSYS

0 引 言

隨著目前國(guó)內(nèi)架橋技術(shù)的發(fā)展，大型橋梁結(jié)構(gòu)件的吊裝重量越來(lái)越大，對(duì)大型全回轉(zhuǎn)架梁起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的承載能力也提出更高的要求，使用有限元法對(duì)起重機(jī)設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算在國(guó)內(nèi)逐漸普及.文獻(xiàn)[1-4]應(yīng)用ANSYS分別對(duì)1 300 t浮式起重機(jī)、龍門(mén)起重機(jī)、塔帶機(jī)和龍門(mén)架起重機(jī)等進(jìn)行有限元分析；文獻(xiàn)[5]對(duì)輪胎式集裝箱龍門(mén)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及疲勞進(jìn)行理論和程序上的研究.本文所設(shè)計(jì)的全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)屬于國(guó)內(nèi)大起重力矩的單臂架全回轉(zhuǎn)式安裝起重機(jī)，其起重力矩可達(dá)到1 600 t·m.在設(shè)計(jì)過(guò)程中，按照該起重機(jī)的實(shí)際工作狀況，根據(jù)GB 3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)[6]要求，使用ANSYS進(jìn)行求解，并及時(shí)將計(jì)算結(jié)果反饋用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)思路的可行性，并為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有效方案.

1 有限元模型建立

1.1 系統(tǒng)描述

全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)整機(jī)三維效果見(jiàn)圖1，主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

圖 1 整機(jī)三維效果

起重機(jī)的工作原理為：進(jìn)入作業(yè)狀態(tài)后，上部結(jié)構(gòu)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)進(jìn)行吊裝作業(yè)，下部結(jié)構(gòu)與橋面軌道錨固為一體；當(dāng)進(jìn)入非作業(yè)狀態(tài)時(shí)，整機(jī)通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)滑靴在軌道上滑動(dòng)完成縱移，使其到達(dá)下一錨固節(jié)點(diǎn)，錨固完畢后，整機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài).該起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)件可以分成上下兩部分結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)包括臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)、人字架、拉桿、主起升、副起升及變幅驅(qū)動(dòng)裝置以及配重等，下部結(jié)構(gòu)包括支座、支腿及行走滑動(dòng)裝置等.

1.2 整機(jī)模型建立

應(yīng)用ANSYS進(jìn)行有限元分析，建模過(guò)程中會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間與精力.雖然ANSYS帶有自建模功能，但是功能非常有限，只能處理一些相對(duì)簡(jiǎn)單的模型，而處理越來(lái)越復(fù)雜的模型就顯得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠.SolidWorks等CAD造型軟件擁有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力，可以進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)體造型.ANSYS是1種大型通用有限元分析軟件，其長(zhǎng)處在于有限元分析；而CAD軟件的優(yōu)勢(shì)在于三維設(shè)計(jì)造型.因此，將SolidWorks軟件與ANSYS結(jié)合使用，充分利用SolidWorks軟件快速準(zhǔn)確建模的特長(zhǎng)，可很好地解決ANSYS建模能力的不足、有效提高建模速度和模型質(zhì)量、簡(jiǎn)化分析工作、提高模型的準(zhǔn)確性.

在對(duì)該起重機(jī)建立幾何模型過(guò)程中，首先將整機(jī)的各個(gè)部分如轉(zhuǎn)臺(tái)、支座和支腿等分別在SolidWorks中建模，并相應(yīng)保存為Parasolid類(lèi)型文件；然后在ANSYS軟件中導(dǎo)入其SolidWorks模型.在此模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中，必須進(jìn)行相應(yīng)的ANSYS布爾運(yùn)算，只有布爾運(yùn)算操作成功后方可進(jìn)行下一步操作.同時(shí)，在整個(gè)建模過(guò)程中必須注意各個(gè)部分的建模應(yīng)按照組合后各個(gè)部分在整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置進(jìn)行，然后再作相應(yīng)疊加，從而完成整機(jī)模型建立(見(jiàn)圖2)，局部實(shí)體結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)圖3.

圖 2 整機(jī)模型

圖 3 局部實(shí)體結(jié)構(gòu)模型

為避免組合后整機(jī)定義屬性及剖分網(wǎng)格等使問(wèn)題復(fù)雜化，先對(duì)各個(gè)模型分別定義屬性及剖分網(wǎng)格，再進(jìn)行疊加.疊加時(shí)，分別使用CDWRITE命令(Menu Paths：Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Write )，新建1個(gè)ANSYS工作文件保存為cdb文件，再依次使用CDREAD命令讀入先前寫(xiě)好的實(shí)體模型文件(Menu Paths：Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Read ).在此應(yīng)注意，如果先后讀入的2個(gè)部分發(fā)生重疊，可能是后讀入的部分覆蓋先前讀入的部分.

1.3 單元選擇

盡管ANSYS提供約200種單元模型，但因全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)主要由管桁架和箱形板等結(jié)構(gòu)組成，故使用三維梁?jiǎn)卧?、桿單元和板殼單元構(gòu)建有限元模型，并對(duì)該起重機(jī)實(shí)體模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化.

針對(duì)該模型中各個(gè)不同的部件，采取多個(gè)單元模型耦合來(lái)模擬整機(jī)結(jié)構(gòu).其中，臂架系統(tǒng)的主副弦管和人字架采用BEAM189單元；臂架系統(tǒng)各連接板、轉(zhuǎn)臺(tái)、支座、支腿采用SHELL93單元；拉桿，主起升、副起升及變幅鋼絲繩采用LINK10單元；配重，主起升、副起升及變幅電機(jī)，旋轉(zhuǎn)大軸承以及各剛性區(qū)域連接點(diǎn)均采用MASS21質(zhì)量單元.同時(shí)，根據(jù)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)情況及計(jì)算需要，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行單元剖分后共得到7 925個(gè)BEAM189梁?jiǎn)卧?6 237個(gè)SHELL93板殼單元數(shù)，7個(gè)LINK10單元，35個(gè)MASS21質(zhì)量單元.

1.3 材料的性能參數(shù)

由于全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)以橋梁結(jié)構(gòu)為支承基礎(chǔ)，因此對(duì)整機(jī)重量有嚴(yán)格限制.在確保整機(jī)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，為盡可能減少整機(jī)重量，采用高強(qiáng)度材料.其中，臂架系統(tǒng)主弦管采用起重機(jī)臂架專用無(wú)縫高強(qiáng)度鋼管HSM770，轉(zhuǎn)臺(tái)及支座支腿等局部應(yīng)力大的地方采用高強(qiáng)度板材HG70，其余大部分采用材料Q345A等.具體參數(shù)見(jiàn)表2.

2 施加約束和載荷

2.1 定義約束

將整機(jī)的約束部位定為滑靴部位.由于模型中4條支腿底端橫向支反力較大，因此模型中在工作狀態(tài)基距一側(cè)2條支腿底部MASS21點(diǎn)只釋放x軸方向的旋轉(zhuǎn)自由度，另一側(cè)只約束y方向和z軸旋轉(zhuǎn)自由度，釋放兩側(cè)其余自由度[7].

2.2 施加載荷

根據(jù)《規(guī)范》要求，至少計(jì)算2類(lèi)工況.工況1：第Ⅱ類(lèi)載荷組合，工作狀態(tài)，惡劣條件；工況2：第Ⅲ類(lèi)載荷組合，非工作狀態(tài)，惡劣條件.其中，結(jié)構(gòu)自重載荷P_G，起升載荷P_Q，水平載荷(回轉(zhuǎn)慣性、變幅慣性)，風(fēng)載荷(P_W=A_pC)以及起升沖擊因數(shù)φ₁，起升動(dòng)載因數(shù)φ₂和水平動(dòng)載因數(shù)Ф₅等均按《規(guī)范》要求加載.φ₁=1.1；φ₂=1+0.17 υ m/s=1+0.17×(5/60)=1.014 2；旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)因數(shù)φ旋=1.5；旋轉(zhuǎn)角速度ω=0.5 r/min=0.5×2π/60 rad/s=0.052 3 rad/s.

整機(jī)結(jié)構(gòu)的自重由ANSYS系統(tǒng)自動(dòng)給出，但忽略簡(jiǎn)化部分筋板以及梯子平臺(tái)等的重量，需要根據(jù)圖紙中的結(jié)構(gòu)重量按比例給定自重載荷因子，使其整機(jī)結(jié)構(gòu)的自重不大于188 t，滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)將旋轉(zhuǎn)大軸承，主起升、副起升及變幅電機(jī)，減速機(jī)，滑輪，配重，梯子平臺(tái)，電器柜等結(jié)構(gòu)或機(jī)構(gòu)自重以質(zhì)量單元MASS21形式施加到相應(yīng)位置.

2.3 工 況

該起重機(jī)的上部結(jié)構(gòu)按照載荷組合劃分為3種工況：旋轉(zhuǎn)+起升+x方向風(fēng)載，旋轉(zhuǎn)+起升+z方向風(fēng)載及變幅+起升+x方向風(fēng)載；同時(shí)又將起重機(jī)在全回轉(zhuǎn)過(guò)程的旋轉(zhuǎn)位置劃分成上部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到0°(兩前支腿中間)，73°(一前支腿)，90°(支腿和前支腿中間)，140°(一后支腿)以及180°(兩后支腿中間)5種工況.因此，根據(jù)載荷組合與作業(yè)旋轉(zhuǎn)位置相結(jié)合，總共劃分為15種工況，分別為：0°旋轉(zhuǎn)+起升+x方向風(fēng)載，0°旋轉(zhuǎn)+起升+z方向風(fēng)載，0°變幅+起升+x方向風(fēng)載；73°旋轉(zhuǎn)+起升+x方向風(fēng)載，73°旋轉(zhuǎn)+起升+z方向風(fēng)載，73°變幅+起升+x方向風(fēng)載；90°旋轉(zhuǎn)+起升+x方向風(fēng)載，90°旋轉(zhuǎn)+起升+z方向風(fēng)載，90°變幅+起升+x方向風(fēng)載；140°旋轉(zhuǎn)+起升+x方向風(fēng)載，140°旋轉(zhuǎn)+起升+z方向風(fēng)載，140°變幅+起升+x方向風(fēng)載；180°旋轉(zhuǎn)+起升+x方向風(fēng)載，180°旋轉(zhuǎn)+起升+z方向風(fēng)載，180°變幅+起升+x方向風(fēng)載.

2.4 耦合方程的使用

在整機(jī)結(jié)構(gòu)分析計(jì)算中，大量采用MASS21質(zhì)量單元模擬電機(jī)、減速箱、鋼絲繩卷筒、配重和旋轉(zhuǎn)大軸承等相關(guān)重量，使用剛性區(qū)域(CERIG命令GUI：Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Rigid Region)連接，其中1主節(jié)點(diǎn)為MASS21質(zhì)量單元，從節(jié)點(diǎn)區(qū)域?yàn)樵撡|(zhì)量單元所在的面上節(jié)點(diǎn)，這樣可近似模擬質(zhì)量單元對(duì)周?chē)鷧^(qū)域的影響.針對(duì)臂架與轉(zhuǎn)臺(tái)、人字架與轉(zhuǎn)臺(tái)以及人字架等多處銷(xiāo)軸鉸接部位，還采用約束方程的方法對(duì)鉸孔圓周節(jié)點(diǎn)的部分自由度進(jìn)行約束，釋放鉸接件在鉸點(diǎn)處關(guān)于z軸的旋轉(zhuǎn)自由度，使得部件間相對(duì)于鉸接點(diǎn)可以自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)協(xié)調(diào)鉸接兩部件的其他位移(包括平移和轉(zhuǎn)角位移)，實(shí)現(xiàn)各部件相關(guān)部位的位移耦合.

3 結(jié)果分析及建議

初始設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)模型的建立提供數(shù)據(jù)參照，計(jì)算結(jié)果用于找出設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行改進(jìn)和加強(qiáng).通過(guò)整機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析，發(fā)現(xiàn)其上部結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸承中心點(diǎn)不平衡力矩達(dá)到1 300 t·m，為整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中最困難的問(wèn)題，因?yàn)槠洳黄胶饬貒?yán)重影響轉(zhuǎn)臺(tái)的受力情況，并影響到旋轉(zhuǎn)大軸承的安全使用壽命以及整機(jī)的穩(wěn)定性等諸多問(wèn)題.因此，對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理加強(qiáng)，以滿足設(shè)計(jì)要求.圖4和5分別為改進(jìn)前后應(yīng)力云圖；圖6～10分別為5個(gè)旋轉(zhuǎn)位置的應(yīng)力云圖.

圖 4 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)前

圖 5 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)后

圖 6 上部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到0°(2條前支腿中間)

圖 7 上部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到73°(1條前支腿)

圖 8 上部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到90°(前后支腿中間)

圖 9 上部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到140°(1條后支腿)

圖 10 上部結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到180°(2條后支腿中間)

在計(jì)算起重機(jī)風(fēng)載荷時(shí)，起重機(jī)結(jié)構(gòu)上總的風(fēng)載荷為各組成部分風(fēng)載荷的總和，應(yīng)考慮風(fēng)對(duì)起重機(jī)沿著最不利方向作用的風(fēng)壓因素.因此，在計(jì)算過(guò)程中，考慮風(fēng)分別沿x和z垂直方向，按設(shè)計(jì)要求工作最大風(fēng)壓為300 N/m²計(jì)算.計(jì)算結(jié)果應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖11和12.

圖 11 x方向工作狀態(tài)下垂直風(fēng)載荷

圖 12 z方向工作狀態(tài)下垂直風(fēng)載荷

上部結(jié)構(gòu)作業(yè)過(guò)程中3種工況下的應(yīng)力最大部位和數(shù)值見(jiàn)表3.下部結(jié)構(gòu)作業(yè)過(guò)程中15種工況下的應(yīng)力最大部位和數(shù)值見(jiàn)表4.

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，忽略臂架底部主弦管與底板連接部位以及剛性區(qū)域從節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力奇異所引起的不符合實(shí)際的應(yīng)力值.在典型工況中的應(yīng)力最大值為304.06 MPa.因?yàn)閷?shí)際結(jié)構(gòu)材料為HG70，根據(jù)《規(guī)范》，載荷組合Ⅱ和Ⅲ下的安全因數(shù)分別取1.33和1.15，則相應(yīng)的許用應(yīng)力分別為375.9 MPa和434.7 MPa，因此所設(shè)計(jì)的金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足規(guī)范要求.

鑒于上述計(jì)算結(jié)果提出以下建議：

(1)高強(qiáng)度材料的使用使焊接要求更加嚴(yán)格，其焊縫的存在易造成材質(zhì)和力學(xué)性能的不均勻，會(huì)降低連接處的強(qiáng)度，因此要求對(duì)高強(qiáng)度材料進(jìn)行預(yù)熱、保溫、去氫，使用正確焊條型號(hào)和焊接時(shí)間等符合高強(qiáng)度材料的焊接要求.

(2)通過(guò)分析可知其上部結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)軸承不平衡力矩比較大，為盡量減少不平衡力矩，建議轉(zhuǎn)臺(tái)上簡(jiǎn)化的部件如電器柜等應(yīng)放置在配重位置.

(3)通過(guò)分析可知其下部結(jié)構(gòu)支腿的側(cè)向支反力比較大，應(yīng)著重加強(qiáng)軌道梁并解決錨固部位孔的應(yīng)力集中等問(wèn)題.[8]

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)大起重力矩的全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)金屬構(gòu)件是個(gè)集設(shè)計(jì)、建模、分析和優(yōu)化的復(fù)雜過(guò)程.在整體建模結(jié)構(gòu)分析過(guò)程中，通過(guò)SolidWorks建模和ANSYS分析的有效結(jié)合，可較快獲取架梁起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)化方案，大大縮短設(shè)計(jì)周期，成功實(shí)現(xiàn)較為完整的起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)分析方法，對(duì)工程機(jī)械設(shè)計(jì)具有較好的借鑒作用.

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(編輯 廖粵新)