基于SolidWorks的橋式起重機主梁三維設計分析

（1.包頭鋼鐵集團線材廠內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.呼和浩特鐵路局 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050；3.內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院 內(nèi)蒙古 包頭 014010）

橋式起重機主梁是起重機橋架中主要受力部件，在承受載荷時出現(xiàn)應力集中的部位，疲勞破壞往往首先發(fā)生在這些部位。對于橋式起重機主梁疲勞載荷的檢測和結(jié)構無損探傷應著重于應力集中部位。

隨著計算機軟件和硬件技術的發(fā)展和三維軟件仿真的開發(fā)逐漸成熟，幾乎所有的結(jié)構計算，包括強度、剛度以及疲勞等都是以結(jié)構的三維模型為基礎的，目的是獲得整個主梁的應力和位移分布狀況。以某廠生產(chǎn)的80 t/20t吊鉤橋式起重機為研究對象。采用SolidWorks建立橋式起重機主梁的三維模型，確定了主梁應力集中的部位。

?

1 建立三維模型

1.1 主要參數(shù)

該橋式起重機主梁由左右2 塊腹板。上下2 塊蓋板以及若干長、短筋板組成，結(jié)構簡圖如圖1 所示，跨度為22 m，主起升機構額定起重量為80t，副起升機構額定起重量為20t，其所用材料為Q235，材料特性如表1 所示。

1.2 施加約束

對橋式起重機主梁的兩個端面進行約束，如圖1。

1.3 添加載荷

由于重力是分布力，且在材料屬性中己設定了材料密度，在SolidWorks中只需要給出受力方向和數(shù)值即可自動算出主梁的重力大小。重力加速度的方向是垂直向下圖2。

2 穩(wěn)態(tài)分析與結(jié)果分析

主梁載重80t時。主梁受到本身自重、小車自重和載重量的共同作用。自重載荷的施加可以靠施加重力加速度獲得，小車自重和載重量可以在主梁上施加相應的載荷獲得。小車為四輪小車，其質(zhì)量為30t，在同一根主梁上的2 個車輪的輪距為3.11m。由于起重機為雙梁起重機，因此分到每一個梁上的重量為載重量的1／2。在加載時集中載荷如果完全加在某一節(jié)點上。有時會導致該節(jié)點的應力過于集中，局部變形過于偏大，因此要將載荷均勻加在某一節(jié)點的附近幾個節(jié)點上。其載荷大小即小車輪壓值，方向是垂直于主梁上蓋板向下。起重機額定的滿載起重量為80t.這時起重機所受的總載荷為

p80t=m 小車g+m80tg=813400 N

分配到每一根主梁上的載荷量為pa2=p80t/2=406700 N。

作用在主梁上80t 載荷時，主梁的等效應力分布如圖3 所示，最大應力值為84.22MPa 最大應力產(chǎn)生于主梁腹板截面突變處。

由應力圖可知，對主梁加載位置不同時，主梁端部存在應力集中，因此主梁端部應為無損檢測的重點部位。由上圖3、4、5 可知。80t加載于跨中時產(chǎn)生的主梁端部的最大應力大。由有限元分析可知，對主梁不同部位施加載荷時，最大應力均發(fā)生在主梁腹板截面突變處。并且該處發(fā)生嚴重應力集中。因此。該部位為橋式起重機承載能力的薄弱環(huán)節(jié)。

3 橋式起重機的三維設計

在完成零部件的三維設計后，通過SolidWorks的裝配環(huán)境完成橋式起重機的裝配工作，裝配按照零部件由主到次，空間上由內(nèi)到外、由上到下的順序進行裝配，完成裝配的設計見圖6 所示。

4 橋式起重機的三維設計應用

在SolidWorks設計環(huán)境下完成的三維設計應用廣泛，其應用價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

動畫仿真

借助SolidWorks運動仿真模塊可以進行橋式起重機的干涉分析，及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的干涉與裝配問題，還可進行運動仿真，模擬起重機工作的運行情況，在設計過程中及時發(fā)現(xiàn)問題，在線修改等。

優(yōu)化設計

可以采用SolidWorks很方便地對橋式起重機進行優(yōu)化設計，滿足生產(chǎn)實踐中某一項目實際要求，基于參數(shù)化設計的三維設計可以方便的驅(qū)動修改。

二維圖紙應用

三維設計借助SolidWorks工程圖模塊可以方便地生成二維圖紙，指導生產(chǎn)加工等，圖8 所示為橋式起重機的二維圖紙應用。

三維設計對于生產(chǎn)實際的意義

三維設計所建立的模型知識表達和傳達能力強，可以進行設備安裝與裝配仿真，方便企業(yè)進行員工的設備技能培訓，方便企業(yè)設備部門制定維修與維護方案等，對實踐具有很強的指導意義。

結(jié)語

本通過對模型進行三維建模并有限元分析，充分體現(xiàn)了虛擬設計先進思想，大大提高了工作效率，降低了開發(fā)成本，并為產(chǎn)品的一次性開發(fā)成功提供了有力保障。采用SolidWorks三維設計軟件對其所有零部件進行了三維造型設計，并采用軟件的裝配環(huán)境對橋式起重機進行了裝配，并在此基礎上對三維橋式起重機主梁設計的應用展開研究，簡單論述了三維設計在有限元分析、運動及動畫仿真、優(yōu)化設計、二維圖紙等方面的應用，同時闡述了三維設計對于生產(chǎn)實際的指導意義。

橋式起重機的三維設計在有限元分析、運動仿真、優(yōu)化設計和二維圖紙應用方面應用廣泛，對生產(chǎn)實踐也具有重要的指導意義。

[1]王生，許可晉，翟甲昌.斷裂力學方法估算起重機箱型梁的疲勞壽命[J].山西機械，1994(2)：33-34.

[2]高崇仁，翟甲昌，陶元芳.起重機主要構件剩余疲勞壽命的研究方法[J].起重運輸機械，1999(5)：8-lO.

[3]王軍，杜壯，王文娜，連國棟.基于ANSYS 的橋式起重機主梁三維有限元分析[J].河北工業(yè)科技，2010（11）,1008-1534（2010）06-0361-03.

[4]大連起重機廠.起重機設計手冊[M]，遼寧：遼寧人民出版社，1979.

[5]葉修梓，陳超祥主編.SolidWorks高級零件教程:2011 版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011（5）.