劉建英,劉 軍
(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程系,河南 鄭州 451191)
隨著起重機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法已不能滿足設(shè)計(jì)試驗(yàn)的要求.本文通過三維形式對80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行了設(shè)計(jì)并進(jìn)行了仿真[1-5],這樣可以在樣機(jī)制造之前發(fā)現(xiàn)問題,節(jié)約制造費(fèi)用,還可以通過模擬仿真得到所有節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值,為起重機(jī)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)提供更合理的數(shù)據(jù).
本文所選擇的80tonX58mH35M門式起重機(jī)的最大起重量為80 t,跨距為58 m,用SolidWorks三維建模軟件構(gòu)建模型[6-17],所有尺寸嚴(yán)格按照圖紙要求進(jìn)行繪制.柔性支腿由10根不等邊角鋼、29個(gè)隔板和隔板框、4個(gè)鋼套和其他一些零件焊接而成,不等邊角鋼和板材材料均為Q345.柔性支腿模型如圖1所示.
80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,該模型不能直接進(jìn)行有限元分析,需要在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化.柔性支腿的結(jié)構(gòu)組成包括板材、不等邊角鋼等實(shí)體,對于板材來說提取面就可以了,不等邊角鋼可以不做處理.
簡化后的柔性支腿曲面模型如圖2所示.
圖1 柔性支腿模型Fig.1 Modle of the flexible leg
圖2 柔性支腿簡化曲面模型Fig.2 Simplification curve modle of the flexible leg
對柔性支腿的分析選擇2種類型的算例:靜態(tài)和屈曲.靜態(tài)分析是為了分析其強(qiáng)度和剛度,屈曲是為了對柔性支腿進(jìn)行穩(wěn)定性分析.首先對柔性支腿進(jìn)行靜態(tài)分析,然后進(jìn)行穩(wěn)定性分析.
圖3 柔性支腿橫梁單元編輯接點(diǎn)Fig.3 Beam cell compile junction of the flexible leg
3.1.1 柔性支腿靜態(tài)分析步驟
關(guān)鍵步驟有創(chuàng)建算例、定義材料、添加約束、施加載荷和劃分網(wǎng)格.
第一步,創(chuàng)建新算例,選擇靜態(tài)類型.
第二步,編輯接點(diǎn)組,所選橫梁類型為所有,結(jié)果如圖3所示.
第三步,連接.
第四步,柔性腿的一側(cè)與大車車輪軸相切的2個(gè)圓面采取“固定鉸鏈”的方式,如圖4所示.另一側(cè)的2個(gè)圓面則不施加“固定鉸鏈”約束,而對此側(cè)底部的4條邊線施加“使用參考幾何體”約束,如圖5.這樣做是為了在起重機(jī)受到載荷作用時(shí),使下端梁也起到傳遞力的作用.
圖4 固定鉸鏈約束Fig.4 Fixed hinge restrain
圖5 使用參考幾何體約束Fig.5 Appliance reference geometry restrain
第五步,施加載荷.載荷施加范圍如圖6所示,載荷大小為主梁自重的一半、上小車和下小車的重量、起重機(jī)的起重量(上小車和下小車位于柔性腿端極限位置)三者之和.主梁自重的一半為94 t,40TX2上小車為35 t,40T下小車為17 t,起重量為80 t,共計(jì)226 t.
圖6 施加載荷范圍Fig.6 Load infliction range
第六步,劃分網(wǎng)格,如圖7所示.此網(wǎng)格為混合網(wǎng)格,包括實(shí)體單元、殼單元和梁單元.柔性支腿較座上的4個(gè)鋼套劃分為實(shí)體單元,所有的鋼板劃分為殼單元,不等邊角鋼劃分為梁單元.
圖7 柔性腿網(wǎng)格劃分Fig.7 Reseau partition of the flexible leg
3.1.2 靜態(tài)分析結(jié)果
靜態(tài)求解結(jié)果如圖8和圖9所示.圖8為靜態(tài)應(yīng)力圖,圖9為靜態(tài)位移圖.
圖8 柔性腿靜態(tài)應(yīng)力圖Fig.8 Static stress diagram of the flexible leg
圖9 柔性腿靜態(tài)位移圖Fig.9 Static displacement diagram of the flexible leg
圖10 柔性支腿屈曲分析Fig.10 Flection analysis of the flexible leg
柔性支腿的最大應(yīng)力為70.288 224 MPa,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度345 MPa;最大靜態(tài)位移為3.284 mm,符合標(biāo)準(zhǔn),但是此設(shè)計(jì)不太合理,在很大程度上浪費(fèi)了材料.
之所以對柔性支腿進(jìn)行穩(wěn)定性即屈曲分析,是因?yàn)槿嵝灾葘儆诩?xì)長桿結(jié)構(gòu),在受壓時(shí)可能發(fā)生失穩(wěn).進(jìn)行屈曲分析的所有設(shè)定均和靜態(tài)分析一樣,唯一區(qū)別就是分析的類型不同.屈曲分析的具體過程由于篇幅所限省略,分析結(jié)果如圖10所示.
載荷因子BLF 值為3.865 9,在大于1的范圍內(nèi),所以設(shè)計(jì)符合要求.
針對起重機(jī)試驗(yàn)的現(xiàn)狀,本文提出了利用SolidWorks結(jié)合Simulation對80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行三維建模和空間受力分析,從而在一定程度上代替實(shí)際工程試驗(yàn)并突破其局限性的方法.利用計(jì)算機(jī)輔助工程分析方法對80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行試驗(yàn)仿真研究,為設(shè)計(jì)開發(fā)起重機(jī)及其重要結(jié)構(gòu)件提供了豐富的信息,解決了樣機(jī)試驗(yàn)中存在的問題.
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