基于Solidworks的橋式起重機(jī)主梁有限元分析

閆偉叢

摘要：本文針對(duì)橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用三維設(shè)計(jì)軟件

solidworks建立了橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行了應(yīng)力分析與位移分析。分析指出主梁腹板截面突變處存在嚴(yán)重應(yīng)力集中，降低了橋式起重機(jī)的承載力，對(duì)橋式起重機(jī)的正常運(yùn)行過(guò)程存在安全影響。因此有必要在改造橋式起重機(jī)時(shí)，對(duì)主梁腹板進(jìn)行特殊的考慮。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī) SolidWorks 主梁

0 引言

橋式起重機(jī)的大梁橫跨于跨間內(nèi)一定高度的專(zhuān)用軌道上，可沿著軌道在跨間的縱向移動(dòng)，在大梁上布置有起升裝置，大多數(shù)起升裝置采用起重小車(chē)，起升裝置可沿著大梁在跨間橫向移動(dòng)，外觀像是一條金屬的橋梁，所以人們稱(chēng)為橋式起重機(jī)。橋式起重機(jī)也俗稱(chēng)“天車(chē)”。本文采用三維設(shè)計(jì)軟件solidworks分析了目前在研究橋式起重機(jī)中存在的問(wèn)題，對(duì)橋式起重機(jī)的主梁進(jìn)行了建模和相應(yīng)的理論計(jì)算，然后對(duì)其進(jìn)行有限元分析，找出了主梁容易發(fā)生疲勞損傷的部位，為以后設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)提供理論依據(jù)[1]。

1 研究對(duì)象

盡管橋式起重機(jī)的類(lèi)型繁多，但其基本結(jié)構(gòu)是相同的。橋式起重機(jī)主要由大梁，起升裝置，端梁，大梁行走機(jī)構(gòu)，起升裝置行走機(jī)構(gòu)，軌道和電氣動(dòng)力，控制裝置等構(gòu)成。主梁變形一般是指主梁上拱嚴(yán)重減少和殘余下?lián)希蛰d時(shí)，起重機(jī)主梁低于水平線的下?lián)现担?，這對(duì)起重機(jī)的安全使用和承載能力都將產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至可能發(fā)生人身和設(shè)備事故，所以主梁變形與設(shè)備安全密切相關(guān)，應(yīng)引起設(shè)備管理人員，有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及天車(chē)、起重工的重視[2-3]。本文所研究對(duì)象的技術(shù)特性表和材料分別在表1，表2中列出。

2 基于Solidworks的三維建模

2.1 橋式起重機(jī)主梁三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法 Solidworks是windows環(huán)境下的三維機(jī)械CAD軟件。采用windows用戶界面，具有三維CAD軟件一貫提倡的易用性、高效性和功能強(qiáng)大，完整的提供了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的解決方案。目前，使用solidworks軟件進(jìn)行參數(shù)化建模的主要技術(shù)特點(diǎn)是：①基于特征。將某些具有代表性的平面幾何形狀定義為特征，并將其所有尺寸存為可調(diào)參數(shù)，進(jìn)而形成實(shí)體，以此為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行更為復(fù)雜的幾何形體的構(gòu)造。②全尺寸約束。將形狀和尺寸聯(lián)系起來(lái)考慮，通過(guò)尺寸約束來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的控制。③尺寸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。通過(guò)編輯尺寸數(shù)值來(lái)驅(qū)動(dòng)幾何形狀的改變，尺寸參數(shù)的修改將導(dǎo)致其他相關(guān)模塊中的相關(guān)尺寸的全盤(pán)更新。采用這種技術(shù)的理由在于它能夠徹底的克服自由建模的無(wú)約束狀態(tài)，幾何形狀均以尺寸的形式而被牢牢地控制住[4]。

2.1.1 基于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模?；诔叽珧?qū)動(dòng)的參數(shù)化建模通過(guò)對(duì)模型的幾何尺寸進(jìn)行修改實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的修改。它是應(yīng)用最為廣泛的建模方法，也是最基本的方法。事實(shí)上，無(wú)論其余的方法利用什么來(lái)改變圖形，基本上都是通過(guò)幾何尺寸的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2.1.2 基于約束驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化建模。在維持幾何約束關(guān)系不變的前提下，通過(guò)約束值的修改實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的變化，幾何約束驅(qū)動(dòng)本質(zhì)上是一個(gè)集合實(shí)體約束滿足的過(guò)程，它通過(guò)一定的約束規(guī)劃和推理方法實(shí)現(xiàn)集合實(shí)體的空間定位?；趲缀渭s束的參數(shù)化建模用幾何約束來(lái)表達(dá)產(chǎn)品模型的形狀特征，定義一組參數(shù)以控制設(shè)計(jì)結(jié)果，從而能夠通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改設(shè)計(jì)模型。產(chǎn)品模型的修改通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)給定的幾組參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了系列零件或標(biāo)準(zhǔn)件的自動(dòng)生成。約束的引入使對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)依賴(lài)關(guān)系的描述成為可能。

2.1.3 基于特征的參數(shù)化建模?；谔卣鞯膮?shù)化建模綜合運(yùn)用參數(shù)化特征造型的變量幾何法和基于生成歷程法這兩種造型方法實(shí)現(xiàn)特征的構(gòu)造和編輯?；谔卣鞯膮?shù)化建模是新型的CAD建模方法，是CAD/CAPP/CAM的熱點(diǎn)研究方向。

本文根據(jù)橋式起重機(jī)主梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在橋式起重機(jī)主梁參數(shù)化建模中，利用參數(shù)修改法建模和solidworks本身的特征建模。

2.2 模型圖 本文主要設(shè)計(jì)的是橋式起重機(jī)的箱型主梁。箱型結(jié)構(gòu)由上下蓋板和兩個(gè)腹板構(gòu)成一個(gè)箱體，箱內(nèi)還有橫隔板和縱橫長(zhǎng)短筋板，模型圖如圖1所示。

3 受力分析

3.1 自重載荷 自重載荷主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是均布載荷，主要由主梁、走臺(tái)、欄桿、配電管等組成，另一類(lèi)是集中載荷，主要由閉式操作室、大車(chē)運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備等組成[5-6]。在材料屬性中已設(shè)定了材料密度，且重力是分布力，重力加速度的方向是垂直向下，在SolidWorks中只需要給出受力方向和數(shù)值即可自動(dòng)算出主梁的重力大小。

3.2 起升載荷 起升載荷是指起升質(zhì)量的重力。由于起升高度小于50m，所以鋼絲繩的質(zhì)量可以不計(jì)。因物品下降制動(dòng)時(shí)對(duì)承載機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將產(chǎn)生附加的動(dòng)載作用。這一動(dòng)載作用可以通過(guò)將起升載荷乘以大于1的起升載荷動(dòng)載系數(shù)？漬2考慮[1]。

5 結(jié)論

橋式起重機(jī)的三維設(shè)計(jì)在有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)和二維圖紙應(yīng)用方面應(yīng)用廣泛，對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐也具有重要的指導(dǎo)意義。

本文通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行三維建模并進(jìn)行有限元分析，得知橋式起重機(jī)主梁中部腹板截面處應(yīng)力最大，容易發(fā)生裂紋。

設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)此做充分的考慮，采取措施對(duì)容易損傷部位進(jìn)行加固。同時(shí)對(duì)重點(diǎn)部位在日常運(yùn)行過(guò)程中多加檢修，避免事故發(fā)生。綜合應(yīng)力圖和位移圖結(jié)果顯示，主梁可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低起重機(jī)自身重量，為起重機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)提供了重要參考。

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