結(jié)構(gòu)分析軟件在桁架門式起重機(jī)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

（桂林市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣西 桂林 541004）

起重機(jī)械的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目前通常采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，尤其是對桁架式結(jié)構(gòu)的起重機(jī)，手工計(jì)算復(fù)雜，效率低，結(jié)果精度也達(dá)不到要求?，F(xiàn)在用有限元軟件建立三維模型分計(jì)算是實(shí)現(xiàn)起重機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的趨勢。本文以桁架式門式起重機(jī)為例，用ANSYS實(shí)現(xiàn)對該起重機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)?？傮w思路：建立該起重機(jī)的三維模型，通過多種不同的載荷組合模擬實(shí)際使用中的不同的工況，計(jì)算出在每種載荷下的應(yīng)力應(yīng)變值，運(yùn)用許用應(yīng)力法驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。通過施加不同的載荷組合，得出不同工況下起重機(jī)的強(qiáng)度、靜剛度和支腿的穩(wěn)定性等多項(xiàng)指標(biāo)來判斷設(shè)計(jì)是否合理。

1 起重機(jī)設(shè)計(jì)主要參數(shù)

材料選擇起重機(jī)制造領(lǐng)域常用牌號Q-235A，在常溫下，彈性模量為2.16×105MPa,屈服極限為235 MPa，松泊比為0.3，質(zhì)量密度為7 800 kg/m3。起重機(jī)的工作屬性如表1所示。

表1起重機(jī)工作屬性表

柔性支腿主肢為軸心受壓構(gòu)件，其幾何特性參數(shù)如下：

柔性支腿主肢材料：Q235（取σg=235 MPa）

柔性支腿主肢計(jì)算長度：I=10 000 mm

柔性支腿主肢截面面積：A=4 736mm2

柔性支腿主肢截面慣性距：I=6.9×107mm4

2 結(jié)構(gòu)分析的邊界約束條件

整體約束情況如圖1所示。由于對門式起重機(jī)的整體進(jìn)行分析中，支點(diǎn)不包括在Y和Z軸上的變形，所以對其4個(gè)支點(diǎn)的Y軸和Z軸進(jìn)行約束，對其在X，Y，Z軸上的回轉(zhuǎn)自由度不進(jìn)行約束，明細(xì)如表2。

圖1門式起重機(jī)簡化圖

表2約束點(diǎn)及約束方位明細(xì)表

注：UX，UY，UZ分別為沿X，Y，Z軸的位移自由度；ROTX，ROTY，ROTZ: 分別為繞X，Y，Z軸的回轉(zhuǎn)自由度；1代表約束；0代表自由。

3 建立模型

通過參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行建模時(shí)，采用分塊化建模方法能夠提升建模的效率。建立模型是將實(shí)體通過參數(shù)化表達(dá)為計(jì)算機(jī)能識別的虛擬物體，所以模型建立的好壞對分析結(jié)果至關(guān)重要。為了簡化模型，小車和門架按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，對于小車上的零部件則以質(zhì)量點(diǎn)來代替。

以單元SHLll63來模擬門架和小車的鋼板，以單元BEAM189來模擬門架和小車的型鋼 。用單元MCP184來模擬支撐點(diǎn)的約束，對于小車上的零部件，如減速機(jī)、制動(dòng)器等則是以MASS21來代替。其機(jī)構(gòu)的單元?jiǎng)澐秩绫?所示。

表3單元?jiǎng)澐置骷?xì)表

4 載荷組合

作用在起重機(jī)上的載荷可以總體的分為自重載荷、工作載荷、外界附加載荷（運(yùn)行沖擊載荷、風(fēng)載荷、慣性載荷等），在此列出3種常規(guī)載荷組合，在不同的工況通過ANSYS來計(jì)算其應(yīng)力分布值和剛度值，以此來辨別設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)。載荷組合表如表4所示。其中：PW1為工作狀態(tài)風(fēng)載；PW2為非工作狀態(tài)風(fēng)載。

表4工況組合明細(xì)表

5 計(jì)算工況及求解

限于篇幅，在此只列出工況2的計(jì)算圖和相應(yīng)結(jié)果。其他工況用文字描述計(jì)算結(jié)構(gòu)。

5.1 工況2

載荷組合：運(yùn)行沖擊和水平側(cè)向力，風(fēng)載和慣性力。

（1）強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果：對三維模型施加載荷運(yùn)算后，由應(yīng)力云圖可以看出，小車位于跨中時(shí)，在主梁上弦桿的位置出現(xiàn)最大應(yīng)力值127 MPa（如圖2所示）。

圖2 工況2應(yīng)力計(jì)算云圖

（2）剛度計(jì)算結(jié)果：通過下圖可以看出，小車在主梁上弦桿跨中部時(shí)主梁的撓度值為15.77 mm，出現(xiàn)在主梁中部的右側(cè)位置（如圖3所示）。

圖3工況2剛度計(jì)算圖

（3）小結(jié)：最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上弦桿跨中部，最大應(yīng)力值為127 MPa，小于Q235許用應(yīng)力值176 MPa，最大撓度值為15.77 mm，小于許用撓度值47 mm，強(qiáng)度剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

5.2 工況1和工況3

工況1：最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上弦桿跨中部，最大應(yīng)力值為123 MPa，小于Q235許用應(yīng)力值176 MPa，最大撓度值為15.53 mm，小于許用撓度值47 mm，強(qiáng)度剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

工況3：最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁上弦桿跨中部，最大應(yīng)力值為103MPa，小于Q235許用應(yīng)力值176MPa，最大撓度值為3.07mm，小于許用撓度值47mm，強(qiáng)度剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 支腿穩(wěn)定性計(jì)算

支腿幾何特性參數(shù)如下。

主肢材料為Q235（取σg=235MPa），主肢計(jì)算長度為I=10 000 mm，主肢截面面積為A=4 736 mm2，主肢截面慣性距為I=6.9×107mm4

6.1 柔性支腿主肢

柔性支腿主肢為軸心受壓構(gòu)件，其長細(xì)比為：

由λ2＜λ＜λ1可以判斷柔性腿為中等柔度壓桿，臨界應(yīng)力：σcr=a-bλ =304-1.12 × 87.7=205.7 ΜPa（a、b是與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)）。

6.2 剛性支腿主肢

剛性腿主肢為壓彎構(gòu)件，長細(xì)比：

根據(jù)ANSYS模型輸出數(shù)據(jù)可知，在工況2，小車位置位于腿側(cè)極限位置時(shí)，主肢承受的軸向壓力和彎矩分別為：F＝1.31×105N，M＝1.03×107N·mm.

式中：

F為作用在支腿上的壓力，N；

Mf為作用在支腿上的彎矩，N·m；

I為支腿的截面慣性距，mm4；

W為構(gòu)件長細(xì)比的失穩(wěn)系數(shù)（查表得W=1.61）

7 結(jié)束語

起重機(jī)械屬于特種設(shè)備，其安全性關(guān)乎生命財(cái)產(chǎn)的安全，設(shè)計(jì)桁架起重機(jī)不僅僅是憑借經(jīng)驗(yàn)，還要有科學(xué)的數(shù)據(jù)計(jì)算來提升設(shè)計(jì)的可靠性，本文基于ANSYS的有限元分析，結(jié)合傳統(tǒng)計(jì)算，成功地實(shí)現(xiàn)了較為完整的起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)分析和計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示，本起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、支腿的穩(wěn)定性均滿足要求，對起重機(jī)械的設(shè)計(jì)驗(yàn)證性分析有一定的借鑒作用。

[1]陳瑋璋.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M].北京:人民交通出版社，1998.

[2]邵蘊(yùn)秋.Ansys10.0有限元分析實(shí)例導(dǎo)航[M].北京:中國鐵道出版社，2004.