門式起重機主梁截面的比較與ANSYS分析

郁建華，孟慶國

（1.常州市建工起重機有限公司，江蘇 常州 213101；2.江蘇華澄重工有限公司，江蘇 江陰 214521）

門式起重機具有適應面廣、作業(yè)范圍大、通用性強等特點，在各種制造企業(yè)及物流企業(yè)得到廣泛使用。其主要用于室外貨物的裝卸作業(yè)。其中，雙梁門式起重機因承載能力強，跨度大、整體穩(wěn)定性好而深受用戶歡迎。目前雙梁門式起重機主梁一般多采用鋼板焊接的箱形結構，雙梁門式起重機主梁具有安全性高、剛度大等特點，但箱梁同時也具有自身質(zhì)量重、造價高等劣勢。

根據(jù)小車軌道在主梁截面的位置，門式起重機主梁又可分為正軌梁、偏軌梁及半偏軌梁。本文以一臺MG200t35m半偏軌雙梁門式起重機為例，通過改變主梁截面加勁板和隔板的位置，分析不同截面布置形式下的等效應力，并以此進行對比，進而改進截面形式，降低主梁自重。本文只是對不同截面形式進行應力對比的定性分析，得到的應力數(shù)值不能作為定量分析的依據(jù)。為了敘述方便，對僅起增強局部穩(wěn)定性作用的加勁板與大隔板均不作贅述。

1 在不同截面形式下的應力對比定性分析

1.1 主梁截面形式

該臺門式起重機用軌道壓板將小車軌道固定在主梁上面板上。采用半偏軌箱形主梁，可以減小起重機上部構件在沿大車軌道方向上的尺寸，有利于其整機穩(wěn)定性，并且小車軌道靠近主梁內(nèi)側腹板，有助于充分利用小車架在小車軌距之間的空間，減輕小車自重。

原主梁截面（第一種截面）箱體內(nèi)每隔一段距離設置一塊承載橫向加勁板（如圖1a所示），此時軌道承載輪壓載荷后，傳遞給箱體上面板，一方面上面板將載荷傳遞給腹板；另一方面上面板將載荷傳遞給橫向加勁板，由橫向加勁板再將載荷傳遞給腹板。

第二種主梁截面箱體內(nèi)減窄承載橫向加勁板，但在主梁上面板內(nèi)側對應小車軌道處增加一根縱向加勁板（如圖1b所示），此時軌道承載輪壓載荷后，傳遞給箱體上面板，一方面上面板將載荷傳遞給腹板；另一方面上面板將載荷傳遞給縱向加勁板，再由縱向加勁板將載荷傳遞給橫向加勁板，進而傳遞給腹板。

圖1 主梁截面的布置形式

1.2 剛度的考慮

門式起重機靜態(tài)剛性，即小車在主梁中部起升額定起重量時，其垂直靜撓度為f，對于使用簡單控制系統(tǒng)能達到中等定位精度特性的起重機[1]，其取值關系如下：

f≤S（（起重機跨度）/750=35 000/750=46.7 mm

1.3 穩(wěn)定性的考慮

對于雙梁門式起重機來說，由于箱形截面主梁抗扭轉的剛性比較大，且在水平方向也有一定的抗彎剛性，所以不必驗算整體穩(wěn)定性[2]。主梁結構中橫向及縱向加勁板的布置要遵循《起重機設計規(guī)范》[3]中5.7.1.5要求，亦可參考[4]中所述方式設置加勁板。

2 有限元模型的建立與分析

目前，在工程實際應用中，常用的數(shù)值求解方法有：有限單元法、有限差分法、邊界單元法和加權殘數(shù)法。其中，有限單元法是隨著計算機發(fā)展而被廣泛應用的一種有效的數(shù)值計算方法。其基本思想就是將連續(xù)體的結構離散成有限個單元組成，并且每個單元中設定有限個節(jié)點，同時選定場函數(shù)的節(jié)點值作為基本未知量，并在每一單元中假設一近似插值函數(shù)以表示單元中場函數(shù)的分布規(guī)律，繼而利用力學中的某些變分原理去建立求解節(jié)點未知量的有限元方程。與傳統(tǒng)的分析計算方法相比，采用有限元分析方法更接近真實值，且可以同時實現(xiàn)優(yōu)化處理。

2.1 單元的選取與介紹

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場及聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAE工具之一。在本文所述的分析過程中，主要使用SHELL63和BEAM188兩種單元。

采用SHELL63單元建立主梁箱體主體的分析模型。該單元既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。每個節(jié)點具有6個自由度：沿節(jié)點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節(jié)點坐標系X、Y、Z軸的轉動。單元定義時需要四個節(jié)點、四個厚度、一個彈性地基剛度和正交各向異性的材料（幾何形狀、節(jié)點位置及坐標系如圖2所示）。在單元的面內(nèi)，其節(jié)點厚度為輸入的四個厚度，單元的厚度假定為均勻變化。由于在本分析中，板材的厚度不變，所以單元設置中只需輸入TK(I)即可（如果厚度是變化的，則四個節(jié)點的厚度均需輸入）。

圖2 shell63單元模型圖

圖3 beam188單元模型圖

采用BEAM188單元建立軌道的分析模型。該單元適用于分析細長的梁，能很好地應用于線性分析、大偏轉、大應力的非線性分析其是基于Timoshenko梁理論的，具有扭切變形效果。BEAM188單元是一個二節(jié)點的三維線性梁，在每個節(jié)點上有6或7個自由度（幾何形狀、節(jié)點位置及坐標系如圖3所示），自由度數(shù)目的變化是由KEYOPT(1)來控制的。當KEYOPT(1)=0時(默認),每節(jié)點有6個自由度，分別是沿X、Y、Z軸的位移及繞其的轉動。需要注意的是BEAM188單元忽略實常數(shù)設置。

這里給出設置單元型號及材料屬性命令流：

/PREP7

ET，1，shell63

ET，2，beam188

MPTEMP，1，0

MP，EX，1，，2.06e5

MP，PRXY，1，，0.3

MP，DENS，1，7.85e-9

2.2 幾何模型的建立

取主梁各尺寸的中面進行建模，由于橫向加勁板僅在其自身所在截面內(nèi)改變梁的截面性質(zhì)，對強度和剛度的影響不大。依據(jù)前文所述的兩種截面的特性，對箱體內(nèi)的加勁板進行簡化，在一些關鍵部位添加橫向加勁板，即在與起重小車行走輪對應的區(qū)域附近，其余區(qū)域不添加橫向加勁板，參與承載的縱向加筋引起的正應力與撓度減小量約達10%[5]，在建模過程中應予考慮，不直接參與承載的縱向加勁板相應取消。

為便于面板與腹板的焊接，在建模時需注意朝向的設置及偏移。由于是對稱結構，僅需建立半幅主梁然后鏡像生成整體結構。

2.3 劃分單元數(shù)量的確定

如果插值函數(shù)滿足一定要求，隨單元數(shù)目的增加，求解的精度會不斷提高，但是卻增加了分析所用的時間。在實際工程應用中，只要所得的結果能夠滿足工程需要就足夠了，因此，在分析前就要預先規(guī)劃，要在分析的精度和所用的時間上找到一個平衡點。

由于本文是對不同主梁截面作對比分析，不考慮小車軌道與主梁上面板的接觸應力。對主梁面板橫向劃分12個單元，豎向劃分12個單元，加之主要觀察位置為主梁中部，在縱向上靠近中部的位置劃分密實一些，遠離中部的位置劃分稀疏一些。為使劃分網(wǎng)格美觀合理，采用映射劃分方式。

2.4 約束與加載

雖然雙主梁箱體沿橫向、縱向均可視為對稱結構，但由于小車的每個車輪輪壓有所不同，從準確施加載荷的角度考慮，單根主梁不可設置對稱約束。

對于小車及起重量載荷，均以輪壓的形式進行加載，由于在節(jié)點上使用集中載荷進行加載時，會在局部產(chǎn)生應力畸點，影響判斷，所以這里均使用面力載荷。為考慮主梁自重載荷帶來的影響，設置該方向下的重力加速度。

2.5 分析結果及對比

經(jīng)分析后查看結果，兩種截面下均符合《起重機設計規(guī)范》對材料及許用應力的要求，同時也滿足上文所述的剛度要求，表1列出兩種截面分析參數(shù)及結果數(shù)據(jù)的比對資料（云圖如圖4～圖7所示）。

表1 兩種截面數(shù)據(jù)對比

圖4 第一種截面等效應力圖

圖5 第一種截面下?lián)衔灰茍D

圖6 第二種截面等效應力圖

圖7 第二種截面下?lián)衔灰茍D

3 結束語

上文結果表明：在滿足雙梁門式起重機性能要求的情況下，采用第二種截面形式時，優(yōu)化了受力結構，使力的傳導更順暢，相應提高了小車軌道附近區(qū)域的局部穩(wěn)定性，并且能顯著減輕主梁結構自重。這對類似箱形主梁的橋門式起重機的設計具有很好的參考意義。對起重機生產(chǎn)企業(yè)來講，降低了制造成本，提高了企業(yè)的產(chǎn)品競爭力，在當前市場環(huán)境下也具有非常重要的意義。

[1]GB/T14406-2011.通用門式起重機[S].

[2]李雙林.50t/28m龍門起重機主梁有限元分析及結構優(yōu)化設計[D].長沙:中南林業(yè)科技大學，2009.

[3]GB/T3811-2008.起重機設計規(guī)范[S].

[4]胡建偉，盛寶安.客運專線架橋機主梁的局部穩(wěn)定性分析[J].工程機械，2005（9）:40-42.

[5]傅永華，陳定方.起重機結構件加筋對結構強度與剛度的影響[J].起重運輸機械，1996（5）：30-31.