基于ANSYS平臺的裝卸橋結(jié)構(gòu)有限元分析

荊 輝，楊正茂

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

裝卸橋是指跨度在35m以上的桁架門式起重機(jī)［1］，由于自重較輕、制造安裝容易、維修方便、迎風(fēng)面積小和外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路貨場及工程建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用，其穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安全的保證，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析具有顯著意義。

本文結(jié)合起重運(yùn)輸機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)理論，利用有限元分析軟件ANSYS對某廠生產(chǎn)的ME80t／38m裝卸橋進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和剛度分析及動態(tài)剛性分析，以期通過數(shù)字化模型的虛擬試驗(yàn)來模擬物理試驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短制造周期，降低制造成本。

1 裝卸橋有限元模型的建立

圖1為裝卸橋有限元模型，圖2為裝卸橋主梁有限元模型的局部放大圖。其主要參數(shù)如下：跨度38 m；額定起升載荷80t；小車運(yùn)行速度6m／min；大車運(yùn)行速度8m／min；起升高度14．6m；主梁框架的軸線高度2．7m；框架軸線寬度1．3m；節(jié)間長度1．5m；小車軌距2．6m；整機(jī)自重104t。

圖1 裝卸橋有限元模型（縮放因子為2．0）

圖2 裝卸橋主梁局部放大圖（縮放因子為1．0）

該裝卸橋?yàn)閷ΨQ桁架結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式及載荷特點(diǎn)，利用有限元分析軟件ANSYS中的參數(shù)化設(shè)計(jì) 語 言 （ANSYS Parametric Design Language，APDL）對其進(jìn)行立體建模。主要結(jié)構(gòu)包括2根主梁、2個(gè)主梁保持架及2個(gè)下橫梁、2個(gè)剛性支腿和2個(gè)柔性支腿。主梁是由4個(gè)28b槽鋼焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，支腿由空心圓管焊接而成。對于鋼絲滑輪系統(tǒng)，僅考慮其對整機(jī)結(jié)構(gòu)的線性作用，即按照受力等效的原則將鋼絲滑輪系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的作用力作為換算載荷施加在模型上?？紤]到既要承受拉壓、扭轉(zhuǎn)載荷，又要承受彎曲作用，選擇3D梁單元Beam189對裝卸橋桁架建模，該單元是建立在Timoshenko梁分析理論基礎(chǔ)上的，默認(rèn)剪切效應(yīng)和大變形效應(yīng)［2］。

2 裝卸橋工況及其組合載荷的施加

2．1 工況的確定

本文選擇4個(gè)典型受力的工況進(jìn)行綜合分析：工況1，大車不動，小車運(yùn)行至跨中制動，吊重下降制動，風(fēng)順著大車軌道；工況2，大車不動，小車運(yùn)行至懸臂極限位置制動，吊重下降制動，風(fēng)順著大車軌道；工況3，大車不動，小車運(yùn)行至柔性支腿側(cè)極限端制動，吊重下降制動，風(fēng)順著大車軌道；工況4，大車運(yùn)行制動，小車滿載位移跨中，吊重下降制動，風(fēng)順著大車軌道。

2．2 計(jì)算載荷與組合

對裝卸橋進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，應(yīng)充分考慮到起重機(jī)工作運(yùn)行中起升、制動和沖擊所產(chǎn)生的沖擊載荷（又稱為慣性載荷）［3］，4種工況下載荷組合確定如表1所示。

計(jì)算載荷的幾點(diǎn)說明如下：

（1）確定起升沖擊系數(shù)φ1＝1．2，起升載荷動載系數(shù)φ2＝1．175，運(yùn)行沖擊系數(shù)φ4＝1．1。

（2）計(jì)算小車在水平面內(nèi)縱向或者橫向運(yùn)行啟（制）動時(shí)的水平慣性力時(shí)，小車在中速長距離運(yùn)行下，取其加速度a1＝0．2m／s2，小車的重力m小車g＝120 kN，PHX＝φ5m小車a1＝36kN。其中，m小車為小車質(zhì)量，φ5為裝卸橋運(yùn)行驅(qū)動力突變時(shí)對結(jié)構(gòu)的動力效應(yīng)系數(shù)，傳動系統(tǒng)中存在微小的間隙，加速力呈連續(xù)但非平穩(wěn)的變化，取φ5＝1．5。

表1 4種典型工況下的載荷組合表

（3）計(jì)算大車在水平面內(nèi)縱向或者橫向運(yùn)行啟（制）動時(shí)的水平慣性力時(shí)，大車在中速長距離運(yùn)行下，取其加速度a2＝0．25m／s2，PH＝φ5m大車a2＝0．375 m大車。其中，m大車為大車質(zhì)量。需要指出的是：這里是將撓性懸掛的總起升質(zhì)量與起重機(jī)剛性連接來考慮的，這樣計(jì)算的結(jié)果將稍偏大，這些慣性力分別作用在相應(yīng)質(zhì)量上。

（4）工作狀態(tài)風(fēng)載荷Pwj＝400N／m2，表征了裝卸橋在工作時(shí)應(yīng)能承受的最大風(fēng)力。

2．3 約束條件的施加

考慮工程實(shí)際中支腿變形的影響，假設(shè)大車行走車輪與軌道之間為點(diǎn)接觸行為。

（1）對于靜力學(xué)分析，除釋放大車軌道方向及繞軌道方向的自由度以外，其他自由度全部約束，這樣可將支腿頂部受壓彎下?lián)弦鹬髁合聯(lián)系挠绊懡档?，使得?jì)算結(jié)果逼近真實(shí)值，且符合靜載試驗(yàn)的實(shí)際情況。

（2）對于動力學(xué)分析，在模態(tài)分析中，僅認(rèn)同所施加的固定位移約束，如果施加的位移約束不夠，則會計(jì)算出零頻率或接近的剛體位移模態(tài)［4］，故應(yīng)將支腿低端和下橫梁進(jìn)行全約束。

3 裝卸橋靜強(qiáng)度和靜剛度的校核

3．1 結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度校核

靜強(qiáng)度計(jì)算要按照最不利載荷組合對危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度校核。該裝卸橋的安全系數(shù)取1．6，材料Q235的屈服極限σs＝235MPa，因此該裝卸橋的許用應(yīng)力［σ］為146．8MPa。表2為4種載荷工況的位移和應(yīng)力情況。由表2看到，在4種工況下金屬結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于［σ］。

表2 4種載荷組合工況的位移和應(yīng)力情況

圖3為工況1的位移云圖，圖4為工況2的等效應(yīng)力云圖。由圖3可知，跨中的最大位移為52．2 mm；由圖4可知，當(dāng)小車滿載運(yùn)行至主梁跨中位置時(shí)，整機(jī)所受的應(yīng)力最大，σmax＝110MPa，小于起重機(jī)設(shè)計(jì)許用應(yīng)力［σ］，最大應(yīng)力出現(xiàn)在跨中位置。主梁、支腿、主梁保持架及下橫梁應(yīng)力分布比較均勻，過度的應(yīng)力集中現(xiàn)象沒有出現(xiàn)，與實(shí)際情況較為符合，滿足設(shè)計(jì)要求。

3．2 結(jié)構(gòu)靜剛度校核

龍門起重機(jī)的主梁在垂直載荷作用下，用跨中產(chǎn)生的靜撓度YL表征主梁的靜剛度。此時(shí)，整機(jī)施加的結(jié)構(gòu)載荷不考慮動荷系數(shù)，并且不計(jì)結(jié)構(gòu)自重。由起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范手冊知該機(jī)的靜剛度準(zhǔn)則為：YL≤L／700（其中L為起重機(jī)的跨度）。對于本例，跨度為38 m，故YL≤54．2mm。

圖5為ANSYS計(jì)算得到的跨中滿載（不計(jì)自重）位移云圖，最大位移為49．7mm，而許用的最大位移為54．2mm，靜剛度滿足要求。

圖3 工況1的位移云圖

圖4 工況2的等效應(yīng)力云圖

圖5 跨中滿載（不計(jì)自重）位移云圖

4 裝卸橋結(jié)構(gòu)動態(tài)剛性的校核

在實(shí)際工程使用中，動態(tài)剛性對裝卸橋司機(jī)的工作條件以及橋架的疲勞性能具有重要影響［5］。因此，應(yīng)對起重機(jī)的動態(tài)剛性進(jìn)行校核計(jì)算。

有限元模態(tài)分析是利用有限元法確定系統(tǒng)固有頻率和振型的，采用Block Lanczos法提取前5階模態(tài)，得到的裝卸橋結(jié)構(gòu)前5階自振頻率如表3所示。

由于裝卸橋結(jié)構(gòu)對稱，所以有些固有頻率值非常相近。當(dāng)外部激勵的頻率接近表3中的數(shù)值時(shí)，可能產(chǎn)生較大振幅，使結(jié)構(gòu)受到損傷，因此可通過修改金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是金屬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，來改變整機(jī)振動出現(xiàn)的頻率范圍，以提高司機(jī)操作的舒適性。

表3 裝卸橋結(jié)構(gòu)固有頻率及振型運(yùn)動趨勢

5 結(jié)論

（1）裝卸橋的靜應(yīng)力分布較為均勻，各種工況下的最大應(yīng)力均小于許用應(yīng)力值，跨中最大位移也小于許用靜位移，其金屬結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和靜剛度符合要求。

（2）對裝卸橋結(jié)構(gòu)有限元分析所得到的強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果，可為裝卸橋的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，也可為裝卸橋承載能力可靠性分析奠定基礎(chǔ)。

（3）由模態(tài)分析的結(jié)果可知，主梁結(jié)構(gòu)的第1階固有頻率為1．125 6Hz，小于GB3811－2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中龍門起重機(jī)的頻率控制推薦值2Hz，動態(tài)剛性并不滿足規(guī)范要求，應(yīng)通過增加對地剛度或者輕量化設(shè)計(jì)減輕整機(jī)質(zhì)量以改善其動態(tài)剛度［6］。

［1］ Tan Yong－Hong，Liu Qing．Finite element analysis on tower crane based on ANSYS［J］．Applied Mechanics and Materials，2012，190／191：373－380．

［2］ Zhang Helen，Jin David．Modal finite element analysis of reconstructive structure for gantry crane on the basis of ANSYS and dynamic stiffness［J］．Applied Mechanics and Materials，2012，164（4）：456－459．

［3］ 徐格寧．金屬裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［4］ 曾攀，雷麗萍，方剛．基于ANSYS平臺有限元分析手冊——結(jié)構(gòu)的建模與分析［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［5］ 肖浩，許竹銘．基于ANSYS的固定式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)有限元分析［J］．湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，27（5）：33－36．

［6］ 楊正茂，孟文?。贏NSYS的橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］．起重運(yùn)輸機(jī)械，2013（3）：33－36．