基于ANSYS Workbench的橋式起重機主梁仿真分析

楊從從 袁秀峰 陳嘉磊 樊一波

摘 要：主梁是橋式起重機的主要組成部分和承載部件。本文以40/16t-22.5m-20m A5橋式起重機主梁為研究對象，采用Solidedge建立其實體模型，并導入ANSYS Workbench對主梁進行了靜力學和模態(tài)仿真分析。得到主梁的等效應力云圖、變形云圖以及前6階模態(tài)的固有頻率和相對振型，對仿真結果進行了分析，為該主梁的優(yōu)化設計提供了一定的理論基礎。

關鍵詞：橋式起重機；主梁；ANSYS Workbench；靜力學分析；模態(tài)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.007

0 引言

智能制造是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的方向，為了提高效率，降低生產(chǎn)成本，人們越來越重視對制造設備的智能化發(fā)展。橋式起重機在制造業(yè)智能化發(fā)展的進程中占據(jù)著至關重要的作用，其是物料搬運的大型設備，被搬運物體質量大，搬運頻率高。主梁是橋式起重機的主要組成部件和承載部件，主梁設計的好壞直接影響了整機的制造成本、工作性能、使用壽命等。而主梁傳統(tǒng)設計方法是模型簡化后手工計算，與實際工況會有一定的偏差且計算復雜[1-2]。

基于此，本文以40/16t-22.5m-20m A5橋式起重機主梁為研究對象，采用Solidedge建立主梁的三圍實體模型，并導入ANSYS Workbench對主梁進行了靜力學和模態(tài)仿真分析，并對得到的等效應力云圖、變形云圖以及前6階模態(tài)的固有頻率和相對振型進行了分析。即采用ANSYS Workbench軟件從主梁的強度、剛度以及固有特性角度進行仿真研究。為主梁在保證其剛度、強度、固有特性的前提下進一步優(yōu)化結構，節(jié)省材料提供一定的理論基礎和依據(jù)，具有一定的理論和實際意義[3-4]。

1 模型建立

本文研究對象為40/16t-22.5m-20m A5橋式起重機的主梁，該主梁為偏軌箱型梁結構，主要由上、下蓋板，主、副腹板，隔板，加強筋等焊接而成。整機的小車部分為主副鉤形式，主鉤額定起重量為40t，跨度22.5m，起升高度20m。主梁上、下蓋板12mm厚，主腹板8mm厚，副腹板6mm厚，腹板高1400mm。該箱型梁結構如圖1所示。

根據(jù)主梁結構和相關尺寸，在Solidedge三圍軟件中建立主梁的實體模型，如圖2所示。將該主梁模型保存成（*.igs）格式。

2 靜力學分析

將保存好的（*.igs）格式主梁文件導入到ANSYS Workbench軟件中，經(jīng)檢驗導入到有限元的主梁模型結構和尺寸沒有發(fā)生變化，導入質量良好。由于所研究的偏軌箱型梁為焊接結構，所以采用綁定接觸（Bonded）即可。

2.1 材料屬性設置和網(wǎng)格劃分

本文所研究的主梁材料為Q235B，該材料性能參數(shù)如下：密度，屈服強度235Mpa，抗拉強度400Mpa，彈性模量，泊松比0.3，安全系數(shù)1.34。根據(jù)Q235B的性能參數(shù)在Workbench中設置主梁的材料屬性。

有限元模型的網(wǎng)格劃分質量較大程度上影響了最終的求解精度，網(wǎng)格質量越好，求解結果越精確。由于主梁的結構相對較為簡單，網(wǎng)格單元尺寸在50～100mm即滿足工況要求，本文選用四面體單元格，單元尺寸為50mm，采用自動劃分網(wǎng)格功能將所研究主梁劃分成158058個單元，323350個節(jié)點，網(wǎng)格劃分后的模型如圖3所示[5]。

2.2 添加約束與施加載荷

由于主梁為兩端簡支梁，根據(jù)實際工況，將主梁的兩個與端梁連接面添加Remote Displacement約束，被約束面僅繞Y軸旋轉設置成自由（Free），其余設置為0。

由于小車滿載在主梁跨中時為極端工況，本文對小車滿載在主梁跨中位置進行靜力學分析。小車自重約10t，單梁受載為25t，根據(jù)小車基距與主鉤的相對位置，在主梁跨中位置施加的力（Force）和的力（Force），方向均垂直軌道向下。同時考慮主梁自重，施加Standard Earth Gravity。

2.3 求解與分析

最后進行有限元模型的計算求解，得到主梁的等效應力云圖和總變形云圖，分別如圖4、圖5所示。

由圖4可以看出，小車滿載跨中時主梁的產(chǎn)生的最大應力為135Mpa，最大應力區(qū)域在下蓋板跨中處，兩端應力較小。由于該主梁所選材料為Q235B，且安全系數(shù)為1.34，所以該材料的許用應力為235/1.34=175Mpa，即主梁產(chǎn)生的最大應力135Mpa小于許用應力175Mpa，綜合以上分析，該主梁滿足強度的要求。

由圖5可以看出，小車滿載跨中時主梁的產(chǎn)生的最大變形量為21.624mm，最大變形區(qū)域為跨中且偏軌道一側，最大變形量兩側均勻過渡性減少。由于該主梁的跨度為22.5m，22500/21.624=1040>1000，因此該主梁滿足橋式起重機的剛度要求。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結構固有特性的一種工程方法，利用ANSYS Workbench軟件中的Modal模塊仿真主梁結構的自振頻率和相對應振型，可以有效避免主梁在外部激勵作用下產(chǎn)生共振現(xiàn)象，以至于對整機造成破壞，降低了其使用壽命。因此對主梁進行模態(tài)分析具有極大的必要性[6-7]。

由于結構的低階振型通常決定結構的動態(tài)響應，階數(shù)越高，對結構的動態(tài)響應越小。本文對導入Modal的主梁模型進行劃分網(wǎng)格并按實際工況進行添加約束后，提取模型的前6階頻率進行計算，得到主梁的前6階模態(tài)屬性如表1所示，相對應振型如圖5所示。

從表1模態(tài)分析結果來看，主梁的在前6階模態(tài)下的最小固有頻率為6.6647Hz，因此符合設計規(guī)范對橋式起重機在小車滿載跨中位置時的自振頻率大于等于2Hz的要求，即其動態(tài)性能滿足要求。

從圖6各階振型圖可以看出，1階模態(tài)下主梁主要表現(xiàn)為水平方向的前后擺動，最大變形量0.564mm在跨中位置；2階模態(tài)下振型為垂直方向的上下擺動，最大變形量0.53mm在跨中位置；3階模態(tài)下表現(xiàn)為水平方向的前后扭動，最大變形量0.548mm在兩端1/4跨位置；4階模態(tài)下主梁振型表現(xiàn)為垂直方向前后傾斜扭轉，最大變形量0.618mm在下蓋板跨中位置；5階模態(tài)下振型為垂直方向上下扭動，最大變形量0.534mm在兩端1/4跨位置；6階模態(tài)下主梁振型表現(xiàn)為水平方向前后扭動，最大變形量0.59mm在跨中和兩端1/6跨位置。

第3、5、6階模態(tài)下主梁的最大變形發(fā)生在兩端1/4跨和兩端1/6跨位置，在整機長時間的交變載荷激勵下易產(chǎn)生疲勞損傷，因此應當對其部位進行優(yōu)化處理。

4 結論

（1）本文以40/16t-22.5m-20m A5橋式起重機主梁為研究對象，采用Solidedge三圍軟件建立了其實體模型。

（2）將建立好的模型導入ANSYS Workbench，對其進行了靜力學分析，其結果初步驗證了所研究的主梁滿足了橋式起重機對其強度和剛度的要求。

（3）進一步利用ANSYS Workbench的Modal模塊對所研究的主梁進行了模態(tài)分析，提取前6階模態(tài)下的振動頻率和相應振型，并對其結果進行了分析，為該主梁的進一步優(yōu)化設計提供了一定的理論基礎。

參考文獻：

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作者簡介：楊從從（1990-），男，碩士，機械工程師，主要從事智能搬運設備的研發(fā)工作。