基于Solid Works的橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

劉燦輝

（廣東聯(lián)塑科技實(shí)業(yè)有限公司，廣東 佛山 528318）

0 引 言

橋式起重機(jī)的橋架沿鋪設(shè)在兩側(cè)高架上的軌道縱向運(yùn)行，起重小車沿鋪設(shè)在橋架上的軌道橫向運(yùn)行，構(gòu)成一矩形的工作范圍，可充分利用橋架下面的空間吊運(yùn)物料，不受地面設(shè)備的阻礙。這種起重機(jī)廣泛用在室內(nèi)外倉(cāng)庫(kù)、廠房、碼頭和露天貯料場(chǎng)等處。

工業(yè)中常見(jiàn)的是普通橋式起重機(jī)，其一般由起重小車、橋架運(yùn)行機(jī)構(gòu)、橋架金屬結(jié)構(gòu)組成。其中橋架為整機(jī)的重要部件，橋架的起重量可達(dá)百噸，跨度可達(dá)60 m，因其高承載及大跨度的特征，故對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性提出很高要求。

SolidWorks 是一款廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國(guó)防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械等行業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件，該軟件除了可以進(jìn)行產(chǎn)品三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行一系列結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的仿真分析，對(duì)設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題作出預(yù)測(cè)和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，從而加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 橋架結(jié)構(gòu)三維模型的建立

1.1 主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

根據(jù)車間要求，該橋式起重機(jī)的主要用途為搬運(yùn)大件的金屬物料，橋架的跨度為26.2 m，起吊物料的最大重量為15 t，車體的運(yùn)行速度約為80 m/min，物料的起吊速度約為0.3 m/s。

1.2 橋架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上所提供的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，利用SolidWorks軟件的三維及二維功能對(duì)橋架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，此處設(shè)計(jì)橋架為箱體結(jié)構(gòu)，橋架箱體部位的長(zhǎng)×寬×高為28 m×1.7 m×3.8 m，為了強(qiáng)化橋架的整體強(qiáng)度及剛度，在橋架箱體的側(cè)面焊有厚度為15 mm 的加強(qiáng)筋板，而其底部焊有工字型鋼。初始方案的基本尺寸確定后，就可以對(duì)橋架進(jìn)行三維建模，本橋架結(jié)構(gòu)在SolidWorks 進(jìn)行三維建模時(shí)主要是用到拉伸及切除功能，其他有尖角的地方需作倒圓角處理，待橋架的三維模型建立完成后，就可以利用SolidWorks 的二維功能模塊直接把三維模型生成可用于生產(chǎn)的工程圖，該工程圖與三維模型是完全關(guān)聯(lián)，每次修改三維模型時(shí)，工程視圖都會(huì)自動(dòng)更新，橋架的三維及二維模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 橋架三維模型

圖2 橋架二維模型

2 橋架結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 橋架材料特性

本橋架所采用的材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B，該材料的力學(xué)性能特性如表1 所示。

2.2 橋架有限元模型的建立

橋架有限元模型的建立有兩種方法：

1）通過(guò)手工劃分網(wǎng)格來(lái)建立有限元模型，即人工指定網(wǎng)格的最大及最小單元的尺寸大小。

2）采用軟件的自動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，讓系統(tǒng)根據(jù)橋架的整體尺寸來(lái)自動(dòng)分配并生成網(wǎng)格，自動(dòng)化分網(wǎng)格時(shí)有粗糙和良好之分，劃分時(shí)一般根據(jù)系統(tǒng)的默認(rèn)設(shè)置。

本模型主要采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的橋架有限元模型如圖3 所示，從網(wǎng)格的細(xì)節(jié)圖表中（圖4）可以看出，該橋架有限元網(wǎng)格的最大單元為516.9 mm，最小單元為25.8 mm，節(jié)點(diǎn)的總數(shù)52 331 個(gè)，單元總數(shù)為27 991個(gè)，網(wǎng)格的其他相關(guān)參數(shù)均處于比較良好的狀態(tài)。

2.3 橋架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，橋架所能承受的最大起吊重量為15 t，考慮設(shè)備運(yùn)行時(shí)的動(dòng)載荷及其他不穩(wěn)定因素的影響，取2 倍的安全系數(shù)，即在強(qiáng)度分析時(shí)，對(duì)橋架的承載最危險(xiǎn)處輸入30 t 起吊重量的作用，所得到的受力及約束模型如圖5 所示，中間位置的箭頭表示30 t 的作用，兩端底部采用固支約束。

表1 Q235B 鋼力學(xué)性能

圖3 橋架有限元模型

圖4 橋架有限元網(wǎng)格細(xì)節(jié)圖表

圖5 橋架有限元模型受力及約束效果圖

圖6 橋架模型的強(qiáng)度應(yīng)力云圖

通過(guò)計(jì)算分析后，從圖6 的橋架強(qiáng)度應(yīng)力云圖可以看出，在30 t 起吊重量的作用下，橋架模型的最大應(yīng)力為27 MPa，小于Q235B 鋼的屈服極限235 MPa，說(shuō)明該橋架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果可以判定該橋架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 橋架結(jié)構(gòu)的剛度分析

本橋架在設(shè)計(jì)時(shí)是選取A6 工作級(jí)別，根據(jù)《通用橋式起重機(jī)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，A6 工作級(jí)別橋架的靜態(tài)剛度要求為垂直靜撓度應(yīng)不大于橋架的最大跨度的1/800。

通過(guò)有限元的剛度分析，從圖7 的橋架剛度云圖可以看出，在30 t 起吊重量力的作用下，橋架模型的最大撓度為1.8 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范所規(guī)定的26 200/800=32.75 mm靜撓度許用值，所以可以判定橋架的整體剛度滿足設(shè)計(jì)要求，并且對(duì)橋架底部左端至右端位置進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)結(jié)果如圖8 所示，探測(cè)結(jié)果所顯示的位移值趨勢(shì)與實(shí)際撓度值趨于一致。

圖7 橋架模型的剛度變形云圖

圖8 橋架模型底部位移探測(cè)曲線圖

2.5 橋架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

在30 t 起吊重量的作用下，軟件分析得到橋架模型的5 階模態(tài)，每階模態(tài)的固有頻率如圖9 所示，一階模態(tài)的固有頻率為8.68 Hz，根據(jù)《通用橋式起重機(jī)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)橋架最大承重位于跨中時(shí)，橋架的滿載自振頻率應(yīng)大于2 Hz，故可以判斷該橋架的自振頻率符合國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且從一階模態(tài)振型（圖10）可以看出，該橋架水平側(cè)面位置比較薄弱，這與橋架實(shí)際情況相符合。

2.6 橋架結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性分析

橋式起重機(jī)在運(yùn)輸過(guò)程中一旦失穩(wěn)，將會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，所以對(duì)其穩(wěn)定性分析是非常有必要的，而屈曲分析可以預(yù)測(cè)橋架可能存在的缺陷，并判定在滿載作用下橋架是否發(fā)生失穩(wěn)，通過(guò)分析可知，如圖11 所示，在滿載作用下，該橋架的載荷因子達(dá)到503.5，說(shuō)明橋架結(jié)構(gòu)在滿載時(shí)的穩(wěn)定性很高，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)。

圖9 橋架模型各階模態(tài)頻率

圖10 橋架一階模態(tài)振型

圖11 橋架屈曲穩(wěn)定性分析效果圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用SolidWorks 軟件對(duì)橋式起重機(jī)的橋架進(jìn)行設(shè)計(jì)及有限元分析，得出所設(shè)計(jì)的橋架方案完全符合國(guó)家安全要求，且部分性能參數(shù)還有很大的安全余量，若從經(jīng)濟(jì)性考慮，可對(duì)該橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的優(yōu)化。

以上所述，基于SolidWorks 軟件的設(shè)計(jì)方法同樣適用于其他機(jī)械產(chǎn)品的一體化設(shè)計(jì)，可有效縮短機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期并降低設(shè)計(jì)成本，對(duì)工程技術(shù)人員具有很高的實(shí)用及參考價(jià)值。

［1］ 王金諾，程文明.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2 版：北京：中國(guó)鐵道工業(yè)出版社，2013.

［2］ 張忠將.SolidWorks2010 機(jī)械設(shè)計(jì)從入門(mén)到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 陳超祥.SolidWorks 公司原版系列培訓(xùn)教程M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［4］ 中國(guó)人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 14405-93通用橋式起重機(jī)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994.

［5］ 曾文忠.基于SolidWorks 對(duì)機(jī)械零件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011（10）:135-137.