基于ANSYS的門(mén)式起重機(jī)性能分析

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 山東 青島 266590)

基于ANSYS的門(mén)式起重機(jī)性能分析

王鳳嬌于蘭浩王賀吳國(guó)良

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院山東青島266590)

隨著我國(guó)工業(yè)的不斷發(fā)展，起重機(jī)械在制造業(yè)的地位逐漸突出，與此同時(shí)有限元法在起重機(jī)械領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文以雙梁式(雙懸臂)龍門(mén)式起重機(jī)為研究對(duì)象，采用有限元分析方法和ANSYS軟件，對(duì)大噸位門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化模型，通過(guò)網(wǎng)格劃分和載荷加載，仿真分析門(mén)式起重機(jī)的性能，研究其變形規(guī)律。

ANSYS；有限元法；門(mén)式起重機(jī)

門(mén)式起重機(jī)又稱為龍門(mén)吊，適用于各種大中型裝卸作業(yè)，門(mén)式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)像門(mén)形框架，根據(jù)主梁數(shù)目分為單主梁門(mén)式和雙主梁門(mén)式起重機(jī)。其中箱梁式起重機(jī)是使用鋼板焊接成箱式，它具有安全性高、剛度大的特點(diǎn)。

一、有限元技術(shù)簡(jiǎn)介

有限元技術(shù)自上世紀(jì)以來(lái)跟隨工業(yè)技術(shù)的發(fā)展成為結(jié)構(gòu)學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)等領(lǐng)域的一種常用手段。有限元法的基本原理是將一個(gè)結(jié)構(gòu)或連續(xù)的物理模型離散為有限個(gè)單元，通過(guò)節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)系連接成一個(gè)整體，如1-1式所示。

[F][k]=[f](1-1)

其中：F-經(jīng)離散后連接的整體的剛度矩陣；k-經(jīng)離散后節(jié)點(diǎn)位移陣；f-經(jīng)離散后載荷陣。這樣將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單元節(jié)點(diǎn)近似函數(shù)方程組(1-1式)求解問(wèn)題，可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)只對(duì)有限個(gè)線性方程組求解，得到各節(jié)點(diǎn)的位移分量，進(jìn)而求解各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力等，避免了復(fù)雜微分方程的求解。結(jié)構(gòu)有限元分析基本步驟為：連續(xù)體的離散化、單元力學(xué)特性分析、建立平衡方程并求解計(jì)算結(jié)果。

二、雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)有限元分析

(一)門(mén)式起重機(jī)模型的構(gòu)成

門(mén)式起重機(jī)主要由門(mén)架、起重小車、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等組成[1]，其中門(mén)架主要由主梁、支腿、上橫梁、下橫梁等結(jié)構(gòu)組成，支腿可以再地面軌道上行走，模型簡(jiǎn)化示意圖如圖1所示。

圖1 雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)門(mén)架簡(jiǎn)化示意圖

(二)靜態(tài)特性分析

在傳統(tǒng)的門(mén)式起重機(jī)校核計(jì)算中，技術(shù)人員利用最不利的工況分別對(duì)主梁和支腿進(jìn)行計(jì)算，不適合具體工況的分析，而利用有限元仿真分析軟件可以對(duì)門(mén)式起重機(jī)整體建模，更加貼合實(shí)際工況。

門(mén)式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)主要利用鋼板焊接而來(lái)，采用的的材料為Q235，它的彈性模量E=2.1e11pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7850Kg/m3、屈服極限σ=235MPa。其基本許用應(yīng)力σ根據(jù)《起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)》[2]對(duì)彈塑性材料的規(guī)定可以通過(guò)(2-1)式得到：

對(duì)雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)完成建模后利用ANSYS軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，再根據(jù)實(shí)際工況加載求解出門(mén)式起重機(jī)的性能參數(shù)。本文考慮的工況為：大小車制動(dòng)且小車位于主梁跨中位置滿載起吊，起重量1200T，考慮設(shè)備起重機(jī)自重和風(fēng)荷載，利用ANSYS 15.0對(duì)雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行計(jì)算，所得起重機(jī)總體變形和豎直方向(Y向)應(yīng)力分布云圖如圖2所示。

圖2 雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)變形和應(yīng)力分布云圖

由圖2可得，雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)的最大形變?yōu)?.0589m，豎直方向最大應(yīng)力σ=0.396E8Pa=39.6MPa≤[σ]=167.69，符合設(shè)計(jì)要求。

(三)模態(tài)分析

《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008》沒(méi)有對(duì)起重機(jī)的動(dòng)態(tài)剛性并沒(méi)有要求，但是在《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》[3]中為避免司機(jī)受振動(dòng)作用影響推薦將門(mén)式起重機(jī)自振頻率控制在2Hz-4Hz的范圍內(nèi)，所以本文利用ANSYS 15.0有限元軟件分析起重機(jī)前9階的振動(dòng)頻率和第9階振型位移云圖。

表1 雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)自振頻率

圖3雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)第9階模態(tài)振型位移云圖

由計(jì)算得到的表1和圖3可以看出，雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)前6階自振頻率均小于2Hz，可能會(huì)使司機(jī)感覺(jué)不適，自第7階起其自振頻率在2Hz-4Hz之間，符合設(shè)計(jì)要求。綜上所述，可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，得到延長(zhǎng)使用壽命的要求。

三、結(jié)束語(yǔ)

門(mén)架結(jié)構(gòu)作為起重機(jī)的承載構(gòu)件，其性能的好壞直接影響起重機(jī)的生產(chǎn)效率和使用壽命。文章對(duì)雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用有限元法對(duì)門(mén)式起重機(jī)進(jìn)行校核計(jì)算，針對(duì)雙梁式(雙懸臂)門(mén)式起重機(jī)的自振振型進(jìn)行分析，得到起重機(jī)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

[1]張磊.基于VB及APDL的門(mén)式起重機(jī)有限元分析系統(tǒng)[D].西南交通大學(xué)，2014

[2]陳瑋璋.起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：人交通山版社，1996

[3]張質(zhì)文，虞和謙等.起重機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)鐵道工業(yè)出版社，1998.

王鳳嬌(1991-)，女，山東臨沂人，研究生在讀，山東科技大學(xué)，研究方向先進(jìn)制造技術(shù)。