基于ANSYS Workbench的橋式起重機(jī)主梁有限元分析

劉文學(xué)，閆 龍，任 軍，趙少鵬

（1.河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北省教育考試院，河北石家莊 050091）

橋式起重機(jī)是在固定跨間內(nèi)裝卸和搬運(yùn)物料的一種機(jī)械設(shè)備，能減輕笨重的體力勞動(dòng)，提高作業(yè)效率，主要用于大型加工企業(yè)，如鋼鐵、冶金、建材等行業(yè)，被稱為工業(yè)企業(yè)的“脊梁”［1－2］。

主梁是橋式起重機(jī)的重要組成部分，也是主要受力元件。在高載荷和高頻率工作過(guò)程中，主梁應(yīng)力集中處容易出現(xiàn)疲勞破壞，而疲勞破壞不斷積累最終將導(dǎo)致主梁發(fā)生疲勞失效。主梁疲勞失效一般發(fā)生突然，易造成安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，主梁疲勞失效通常也意味著整臺(tái)橋式起重機(jī)壽命終結(jié)［3－4］。因此，如何在橋式起重機(jī)使用過(guò)程中監(jiān)測(cè)主梁疲勞受損情況，準(zhǔn)確判斷主梁剩余壽命，對(duì)于保障安全生產(chǎn)，延長(zhǎng)起重機(jī)使用壽命具有重要意義。

有限元分析法計(jì)算精度高，適用于各種復(fù)雜形狀，被廣泛用于工程分析領(lǐng)域［5］。使用ANSYS Workbench對(duì)橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行有限元分析，綜合多種工況分析結(jié)果可判斷主梁發(fā)生疲勞失效的理論區(qū)域，為后續(xù)主梁貼片檢測(cè)、預(yù)測(cè)疲勞壽命提供理論指導(dǎo)。

1 構(gòu)建主梁模型

本文研究對(duì)象為某鋼廠所使用的50／10t電動(dòng)雙梁?jiǎn)涡≤嚇蚴狡鹬貦C(jī)。起重機(jī)主梁跨度為13m；主鉤額定起重量為50t，最大起升高度為18 m，起升速度為7.8m／min，工作級(jí)別為M6；副鉤額定起重量為10t，最大起升高度為20 m，起升速度為13.2m／min，工作級(jí)別為M5。

1.1 主梁幾何模型

研究橋式起重機(jī)主梁疲勞壽命，需要對(duì)主梁模型進(jìn)行加載分析，判斷主梁受力危險(xiǎn)區(qū)域。因此，主梁建模合理與否將直接影響后續(xù)檢測(cè)布點(diǎn)、疲勞壽命分析的準(zhǔn)確性。為保證主梁模型既可以反映其受力情況，又便于進(jìn)行有限元分析，在UG 建模過(guò)程中，略去導(dǎo)軌、欄桿、電纜、小車和走臺(tái)等設(shè)備。

橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the bridge crane girder

1.2 主梁有限元模型

主梁幾何模型構(gòu)建完成，設(shè)置ANSYS Workbench的CAD 配置管理器，使其可以直接讀取UG文件，避免使用中間轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入復(fù)雜模型可能造成的文件破損與識(shí)別錯(cuò)誤［6－7］。該起重機(jī)主梁材料為Q235－B，導(dǎo)入主梁模型后，設(shè)置材料屬性，主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 Q235－B材料屬性Tab.1 Properties of Q235－B

ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分包括自動(dòng)劃分和手動(dòng)劃分。理論上網(wǎng)格精度越高，計(jì)算結(jié)果越接近真實(shí)結(jié)果，但是網(wǎng)格精度越高，計(jì)算機(jī)的工作量也越大，因此在分析過(guò)程中應(yīng)權(quán)衡精度與計(jì)算成本的關(guān)系［8－9］。查閱相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)格太密時(shí)可能出現(xiàn)應(yīng)力分析結(jié)果急劇增大，與實(shí)際結(jié)果存在較大出入的情況［10］。經(jīng)多次試驗(yàn)、比較，本文中主梁劃分網(wǎng)格尺寸為150 mm。主梁有限元模型如圖2所示。

圖2 主梁有限元模型Fig.2 Finite element model of the girder

2 主梁載荷與約束

2.1 載荷類型

橋式起重機(jī)工作過(guò)程中主梁承受的載荷包括垂直載荷和水平載荷［11－12］。

1）垂直載荷包括橋架自重產(chǎn)生的均布載荷，小車自重與起升重量產(chǎn)生的輪壓，運(yùn)行機(jī)構(gòu)、操作室自重形成的集中載荷。

均布載荷：主梁質(zhì)量m0＝3 350kg，跨度L0＝13 000 mm?？紤]走臺(tái)、鐵軌的重量，取填充系數(shù)K＝1.4，均布載荷為q。

小車輪壓：根據(jù)資料可知，起重機(jī)滿載時(shí)小車輪壓分配如圖3所示，P1，P2，P3，P4為作用在主梁上的一組輪壓。

圖3 小車輪壓分配圖Fig.3 Wheel pressure distribution chart of the trolley

垂直方向載荷還包括操作室重量G1和運(yùn)行機(jī)構(gòu)重量G2，本起重機(jī)驅(qū)動(dòng)方式為分別驅(qū)動(dòng)。

2）當(dāng)大車啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生水平慣性載荷，包括水平均布載荷和水平集中載荷。

水平慣性載荷計(jì)算公式為

式中：a是大車啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)的加速度；p為垂直載荷。

水平均布載荷：半橋自重產(chǎn)生的慣性載荷為均布載荷。

水平集中載荷：小車自重和貨物質(zhì)量產(chǎn)生的慣性載荷，操作室、運(yùn)行機(jī)構(gòu)自重產(chǎn)生的慣性載荷。

2.2 載荷施加

垂直載荷：均布載荷以1.4倍重力加速度作用于主梁整體；小車輪壓值較大，應(yīng)均勻施加在車輪位置周圍的節(jié)點(diǎn)上［13］；運(yùn)行機(jī)構(gòu)和操作室重量以點(diǎn)載荷的形式分別作用于上、下蓋板相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

水平慣性載荷：水平均布載荷應(yīng)在與慣性力相反的方向施加全局加速度；小車車輪產(chǎn)生的慣性載荷作用于主梁導(dǎo)軌側(cè)面，應(yīng)在輪壓作用節(jié)點(diǎn)水平方向施加載荷；操作室、運(yùn)行機(jī)構(gòu)自重產(chǎn)生的慣性載荷應(yīng)在相應(yīng)垂直載荷作用位置處施加水平方向慣性力。

2.3 約束處理

起重機(jī)主梁簡(jiǎn)化受力模型為簡(jiǎn)支梁，進(jìn)行有限元分析時(shí)，一端行走支撐中心施加全約束，限制x，y，z方向位移，另一端限制y方向和z方向位移，它們的位移均設(shè)置為零［14］。

3 工況分析

設(shè)起重機(jī)滿載時(shí)，主梁垂直面內(nèi)受力如圖4所示，主梁承載輪壓分別為P3和P4，P3與左端支撐點(diǎn)距離為x，操作室重力為G1，運(yùn)行機(jī)構(gòu)重力為G2，均布載荷為q。

圖4 主梁受力簡(jiǎn)圖Fig.4 Load diagram of the girder

根據(jù)主梁受力情況求得當(dāng)x＝3.767m，即小車距左端支撐點(diǎn)5.557 m 時(shí)，主梁上輪壓P4作用點(diǎn)處截面彎矩最大，將小車此位置作為一種工況對(duì)主梁進(jìn)行加載分析。

除上述危險(xiǎn)位置，結(jié)合橋式起重機(jī)生產(chǎn)實(shí)際，共選取下列4種工況進(jìn)行主梁加載分析［15］：

工況1，大車制動(dòng)，小車位于主梁跨端，滿載下降制動(dòng)；

工況2，大車制動(dòng)，小車位于主梁全長(zhǎng)1／4 處，滿載下降制動(dòng)；

工況3，大車制動(dòng)，小車位于主梁5.557 m 處，滿載下降制動(dòng)；

工況4，大車制動(dòng)，小車位于主梁跨中，滿載下降制動(dòng)。

4 結(jié)果分析

主梁進(jìn)行簡(jiǎn)支梁約束處理，確定每種工況中各載荷作用位置，施加載荷求解，得到各工況的應(yīng)力云圖，見(jiàn)圖5－圖8。主梁有限元分析結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 工況1主梁應(yīng)力云圖Fig.5 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 1

圖6 工況2主梁應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 2

圖7 工況3主梁應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 3

圖8 工況4主梁應(yīng)力云圖Fig.8 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 4

表2 主梁有限元分析結(jié)果Tab.2 Finite element analysis results of girder

分析結(jié)果表明：1）最大應(yīng)力出現(xiàn)在工況2，即小車位于主梁全長(zhǎng)1／4處；2）綜合各工況應(yīng)力云圖，主梁兩端變截面處為應(yīng)力集中區(qū)域，且上下蓋板與腹板連接處屬應(yīng)力值較大區(qū)域，這些區(qū)域易在起重機(jī)實(shí)際使用過(guò)程中產(chǎn)生疲勞破壞，應(yīng)在后續(xù)檢測(cè)中設(shè)置應(yīng)變片檢測(cè)點(diǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于ANSYS Workbench對(duì)50／10t橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行有限元分析，得到了該橋式起重機(jī)主梁理論應(yīng)力集中區(qū)域，為檢測(cè)主梁真實(shí)受力情況、預(yù)算主梁剩余使用壽命提供了重要的理論依據(jù)，對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)中提高起重機(jī)械使用壽命，避免起重機(jī)提前退役造成資源浪費(fèi)，防止起重機(jī)超壽命危險(xiǎn)服役，保障人身、財(cái)產(chǎn)安全，防范生產(chǎn)事故發(fā)生具有重要意義。

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