一種造船門式起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)有限元分析方法

王彤曼 賈文華 張?jiān)诿?殷晨波

（1.三一重機(jī) 江蘇 昆山 215300；2.南京工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院 江蘇 南京 211167；3.南京工業(yè)大學(xué)車輛與工程機(jī)械研究所 江蘇 南京 210009）

門式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱門機(jī)）是一個(gè)橋架形承載結(jié)構(gòu)的起重機(jī)[1]，可用于搬運(yùn)貨物、裝卸及安裝建筑構(gòu)件等，尤其能在鐵路及港口貨場(chǎng)的裝卸中發(fā)揮重要作用。而門機(jī)在提高工作效率、節(jié)省人力的同時(shí)，也存在著巨大的安全隱患，尋求一種在能評(píng)估門式起重機(jī)安全運(yùn)行的方法勢(shì)在必行[2，5]。振動(dòng)不但可能會(huì)造成門機(jī)結(jié)構(gòu)破壞，當(dāng)所受激振力的頻率與結(jié)構(gòu)的的某一固有頻率相接近時(shí)，會(huì)引起共振[3，4]，造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞及產(chǎn)生不允許的大變形，破壞整機(jī)的性能。

1 門機(jī)有限元模型的建立

1.1 門機(jī)基本參數(shù)

雙梁式門機(jī)由主梁、柔性支腿、剛性支腿、大車、上小車、下小車、操縱室等構(gòu)成，如圖1所示，選用的門機(jī)參數(shù)如下所述。

門機(jī)相關(guān)基本參數(shù)：主梁跨度48.124m，起升高度42m，上小車軌距6.33m，下小車軌距2.6m；上小車自重9.9t，最大起重量200t，起升速度5 m/min；下小車自重5.5t，主起升機(jī)構(gòu)最大起重量150t，起升速度5 m/min，副起升機(jī)構(gòu)起重量10t，起升速度12.2 m/min；大車運(yùn)行速度：30m/min，大車軌距43米；門機(jī)主要材料為Q345B，楊氏模量為 2.06×1011，密度為7850kg/m3，泊松比為 0.3。

1.2 模型的單元組成

門機(jī)的剛性支腿、主梁結(jié)構(gòu)是由薄板焊接成的箱體梁，柔性支腿是由鋼板焊接而成的圓管。為使原模型真實(shí)，計(jì)算模型單元選擇如下：門架結(jié)構(gòu)選用空間板單元shell63，小車等附件在模型的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處設(shè)置質(zhì)單元。建立的有限元模型如圖2所示。

圖1 門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The Sketch Map of The Gantry Crane

圖2 有限元模型Fig.2 The Finite Element Model

2 門機(jī)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

作用在門式起重機(jī)上的外載荷種類多，工況較復(fù)雜，計(jì)算分析時(shí)只考慮與門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)破壞形式有關(guān)的典型工況，就能確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度是否滿足要求，從而進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。根據(jù)該門機(jī)設(shè)計(jì)要求（兩小車同時(shí)工作時(shí)，最大抬吊重量300t，上下小車相距至少12米）考慮最危險(xiǎn)的四種工況：①上小車位于主梁柔性支腿側(cè)，下小車距上小車12m；②上小車位于主梁跨中，下小車偏向柔性支腿處，距上小車12m；③上小車位于主梁剛性支腿側(cè)，下小車距上小車12m；④上小車位于主梁跨中，下小車偏向剛性支腿處，距上小車12m。

表1 門式起重機(jī)靜態(tài)有限元計(jì)算結(jié)果Tab.1 Static Calculation Results in ANSYS of Gantry Crane

按第Ⅱ類載荷組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算[5]，對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行加載求解，利用Von Mises屈服準(zhǔn)則評(píng)判結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，各工況下最大應(yīng)力值及最大位移如表1所示，應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 各工況應(yīng)力云圖Fig.3 Cloud Picture of Stress

按第Ⅱ類載荷組合計(jì)算強(qiáng)度時(shí)的安全系數(shù)均取1.34，故結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為從各危險(xiǎn)工況來看，工況二的應(yīng)力及位移最大，最大計(jì)算應(yīng)力為147.64MPa，位移為33.142mm，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度還有較大的余量，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

通過觀察等效應(yīng)力云圖可以看出，應(yīng)力變化較平緩，主梁應(yīng)力最大處為跨中上側(cè)，剛性支腿應(yīng)力最大處位于支腿內(nèi)側(cè)，柔性支腿應(yīng)力最大處出現(xiàn)在與主梁相接處的內(nèi)側(cè)，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。因此，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是合理的。

起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定垂直靜位移的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為：yL≤[yL]。式中，[yL]為許用跨中垂直靜繞度；yL為跨中垂直靜繞度；L為跨度；[yL]=L/800。 該門式起重機(jī) [yL]=48.124/800=0.0602m。計(jì)算UZmax=33.142mm，小于[yL]。門式起重機(jī)小車位于跨中時(shí)，靜態(tài)剛度滿足要求。

3 結(jié)論

介紹了造船門式起重機(jī)整機(jī)的有限元模型的建立、結(jié)構(gòu)的合理性簡(jiǎn)化、加載及求解過程，并在四種危險(xiǎn)工況下對(duì)門機(jī)進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得出了靜態(tài)分析的等效應(yīng)力及位移的云圖。在靜力學(xué)分析中，應(yīng)力變化較平緩，主梁應(yīng)力最大處為跨中上側(cè)，剛性支腿應(yīng)力最大處位于支腿內(nèi)側(cè)，柔性支腿應(yīng)力最大處出現(xiàn)在與主梁相接處的內(nèi)側(cè)，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。通過與起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范相比較，該門式起重機(jī)的強(qiáng)度及靜剛度均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

［1］張偉強(qiáng).門式起重機(jī)模塊化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)及制造,2010(3)：188-189.

［2］許海翔,李鳴.基于虛擬樣機(jī)的門式起重機(jī)安全分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2010(7)：40-44.

［3］Jia-Jang Wu,M.P.Cartmell,A.R.Whittaker.Prediction of the vibration characteristics of a full-size structure from those of a scale model[J].Computers&Structures,2002(80)：1461-1472.

［4］陸念力,張宏生.有限元分析中鋼絲繩滑輪單元的等效構(gòu)件法[J].建筑機(jī)械,2005(11)：89-91.

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