80tonX58mH35M門(mén)式起重機(jī)柔性支腿的有限元分析

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(guò)三維形式對(duì)80tonX58mH35M門(mén)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(wèn)題，節(jié)約制造費(fèi)用，還可以通過(guò)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).

1 柔性支腿建模

本文所選擇的80tonX58mH35M門(mén)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?qǐng)D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.

2 柔性支腿模型的簡(jiǎn)化

80tonX58mH35M門(mén)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)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(duì)于板材來(lái)說(shuō)提取面就可以了，不等邊角鋼可以不做處理.

簡(jiǎn)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(jiǎn)化曲面模型Fig.2 Simplification curve modle of the flexible leg

3 用SolidWorks Simulation對(duì)起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行分析

對(duì)柔性支腿的分析選擇2種類(lèi)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(duì)柔性支腿進(jìn)行穩(wěn)定性分析.首先對(duì)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?jiǎn)卧庉嫿狱c(diǎn)Fig.3 Beam cell compile junction of the flexible leg

3.1 柔性支腿靜態(tài)分析

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(lèi)型.

第二步，編輯接點(diǎn)組，所選橫梁類(lèi)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(chē)車(chē)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(duì)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(chē)和下小車(chē)的重量、起重機(jī)的起重量(上小車(chē)和下小車(chē)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(chē)為35 t，40T下小車(chē)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?jiǎn)卧?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?jiǎn)卧?

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.

3.2 柔性支腿的屈曲分析

之所以對(duì)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(zhǎng)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(lèi)型不同.屈曲分析的具體過(guò)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.

4 結(jié)論

針對(duì)起重機(jī)試驗(yàn)的現(xiàn)狀，本文提出了利用SolidWorks結(jié)合Simulation對(duì)80tonX58mH35M門(mén)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(duì)80tonX58mH35M門(mén)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(kāi)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(wèn)題.

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