門(mén)座起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)有限元仿真計(jì)算

蘇 芳，孫艷秀，聶文杰，張俊娜

（太重（天津）濱海重型機(jī)械有限公司，天津 300452）

［關(guān)鍵字］門(mén)座起重機(jī)；鋼結(jié)構(gòu)；有限元；仿真計(jì)算

門(mén)座起重機(jī)屬于臂架型起重機(jī)，其鋼結(jié)構(gòu)是機(jī)器的主要部分，是整機(jī)的骨架，承擔(dān)著機(jī)械設(shè)備的各種載荷和自重。因此，鋼結(jié)構(gòu)必須滿(mǎn)足一定的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，才能保證機(jī)器正常使用。本文使用有限元軟件ANSYS對(duì)D4085門(mén)座起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，并計(jì)算校核了各工況下的強(qiáng)度。

1 有限元模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)件建模

D4085門(mén)座起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)由臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)柱、人字架及門(mén)架組成。臂架系統(tǒng)在建立有限元模型時(shí)分為3部分：桁架結(jié)構(gòu)單臂架、柔性拉索鋼絲繩和臂架上滑輪組。桁架結(jié)構(gòu)單臂架采用BEAM188單元（TIMOSHENKO梁，3D有限應(yīng)變，計(jì)入剪切變形影響，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模；柔性拉索鋼絲繩采用LINK180單元（3D有限應(yīng)變桿，節(jié)點(diǎn)自由度UX/UY/UZ）建模；臂架上的滑輪組采用MASS21單元（點(diǎn)單元，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模。需要注意的是，本計(jì)算中使用的LINK180單元和MASS21單元的功能是模擬鋼絲繩和滑輪組對(duì)起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)施加的載荷，其自身強(qiáng)度結(jié)果不在有限元計(jì)算中體現(xiàn)，所以臂架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算只列出桁架結(jié)構(gòu)單臂架（以下簡(jiǎn)稱(chēng)臂架）結(jié)果。轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)柱、人字架及門(mén)架等為較規(guī)則的箱形梁或圓管結(jié)構(gòu)，采用BEAM188單元建模。

1.2 整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)建模

各主要結(jié)構(gòu)件模型完成以后，需要組裝成門(mén)座起重機(jī)的整機(jī)鋼結(jié)構(gòu)。首先定義總體坐標(biāo)系，然后根據(jù)各結(jié)構(gòu)件的相對(duì)位置關(guān)系分別定義局部坐標(biāo)系，把各結(jié)構(gòu)件模型放在各局部坐標(biāo)系下生成整體模型。

根據(jù)門(mén)座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，總體坐標(biāo)和局部坐標(biāo)均使用直角坐標(biāo)系。設(shè)整體坐標(biāo)系原點(diǎn)的水平位置位于門(mén)架軌距、基距中心，高度零點(diǎn)位于大車(chē)軌道平面。門(mén)架的建?？芍苯釉诳傮w坐標(biāo)系下進(jìn)行，轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)柱、人字架建模分別在局部坐標(biāo)系下進(jìn)行。組裝到總體坐標(biāo)系時(shí)只需把工作平面移到相應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，即在各結(jié)構(gòu)件建模前加以下命令（X1、Y1、Z1為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)在總體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)）：

D4085門(mén)座起重機(jī)的變幅幅度在25～80m之間。幅度25～45m時(shí)，最大起重量40t；幅度45～80m時(shí)，起重量5t。需要建立3個(gè)幅度的臂架模型分別加載計(jì)算，幅度25m、45m和80m對(duì)應(yīng)的臂架角度分別為76°、61.5°和26°。臂架長(zhǎng)度方向與局部直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸不平行，建模時(shí)對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系除了平移外還需要旋轉(zhuǎn)角度。定義臂架長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸，則局部坐標(biāo)系需旋轉(zhuǎn)X軸使其同臂架長(zhǎng)度方向保持一致。幅度25m時(shí)臂架建模前加以下命令：

*AFUN，DEG！定義單位為角度

WPROTA，76！X軸旋轉(zhuǎn)76°

CSYS，4

同理可得到另外2個(gè)角度的臂架模型。依次運(yùn)行所有結(jié)構(gòu)件命令流，得出各幅度下整機(jī)有限元模型。

2 載荷及工況

2.1 載荷

結(jié)構(gòu)自重載荷SG：臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)（除配重外）、轉(zhuǎn)柱、人字架、門(mén)架及其附屬結(jié)構(gòu)自重為均布載荷，輸入密度并施加重力加速度由軟件自動(dòng)計(jì)算；轉(zhuǎn)臺(tái)配重可視為集中載荷，直接加載于相應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

(3)Stable rotating detonation combustion could also be initialized and sustained in a combustor with a nozzle,which signals a bright future for the application of rotating detonation to satellite orbit-control thrusters.

移動(dòng)載荷SL：包含吊具系統(tǒng)重量4t及額定起重量。

大車(chē)加減速引起的水平載荷SH1：可以在有限元模型上施加相應(yīng)方向的線加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。大車(chē)加速度根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)取0.05m/s2。

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)制動(dòng)引起的水平載荷SH2：可以在有限元模型上施加相應(yīng)的角加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)加速度根據(jù)技術(shù)規(guī)格書(shū)取0.0007rad/s2。

風(fēng)載荷SW：根據(jù)每個(gè)起重機(jī)各結(jié)構(gòu)件的迎風(fēng)面積及風(fēng)力系數(shù)來(lái)計(jì)算風(fēng)載，然后均勻加在每個(gè)構(gòu)件的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上。

起升沖擊系數(shù)取1.1。

起升動(dòng)載系數(shù)φ2根據(jù)計(jì)算，代入各參數(shù)可得φ2=1.3。

2.2 工況

（1）工況1——無(wú)風(fēng)工作；

（3）工況3——極限風(fēng)荷載情況。

這3類(lèi)工況需在25m、45m、80m 3個(gè)幅度下分別計(jì)算。

3 求解與結(jié)果分析

3.1 幅度25m

工況1——無(wú)風(fēng)工作計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為204MPa，出現(xiàn)在臂架中段，靠近臂架頭部的桁架弦桿上（見(jiàn)圖1和圖2）。

圖1 幅度25m-工況1整體應(yīng)力云圖

圖2 幅度25m-工況1最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

工況2——帶風(fēng)工作計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為211MPa，出現(xiàn)在與臂架頭部箱形鋼結(jié)構(gòu)連接的臂架桁架弦桿上（見(jiàn)圖3和圖4）。

圖3 幅度25m-工況2整體應(yīng)力云圖

圖4 幅度25m-工況2最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

工況3——極限風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為112MPa，出現(xiàn)在臂架桁架變截面處的弦桿上（見(jiàn)圖5和圖6）。

圖5 幅度25m-工況3整體應(yīng)力云圖

圖6 幅度25m-工況3最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

3.2 幅度45m

工況1——無(wú)風(fēng)工作計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為220MPa，出現(xiàn)在臂架中段弦桿上（見(jiàn)圖7和圖8）。

圖7 幅度45m-工況1整體應(yīng)力云圖

圖8 幅度45m-工況1最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

工況2——帶風(fēng)工作計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為233MPa，出現(xiàn)在臂架中段弦桿上（見(jiàn)圖9和圖10）。

圖9 幅度45m-工況2整體應(yīng)力云圖

工況3——極限風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為129MPa，出現(xiàn)在臂架桁架變截面處的弦桿上（見(jiàn)圖11和圖12）。

圖10 幅度45m-工況2最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

圖11 幅度45m-工況3整體應(yīng)力云圖

圖12 幅度45m-工況3最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

3.3 幅度80m

工況1——無(wú)風(fēng)工作計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為224MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤(pán)主梁上蓋板（見(jiàn)圖13和圖14）。

工況2——帶風(fēng)工作計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為235MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤(pán)主梁上蓋板（見(jiàn)圖15和圖16）。

圖13 幅度80m-工況1整體應(yīng)力云圖

圖14 幅度80m-工況1最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

圖15 幅度80m-工況2整體應(yīng)力云圖

工況3——極限風(fēng)荷載計(jì)算結(jié)果：整機(jī)最大應(yīng)力為186MPa，出現(xiàn)在臂架中段弦桿上（見(jiàn)圖17和圖18）。

此門(mén)座起重機(jī)主結(jié)構(gòu)使用的材料為Q345。工況1許用應(yīng)力232MPa；工況2許用應(yīng)力256MPa；工況3許用應(yīng)力282MPa。由以上計(jì)算結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

圖16 幅度80m-工況2最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

圖17 幅度80m-工況3整體應(yīng)力云圖

圖18 幅度80m-工況3最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

3.4 起重機(jī)各結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力

除各工況下最大應(yīng)力外，鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算還應(yīng)關(guān)注各構(gòu)件最大應(yīng)力及應(yīng)力分布情況。限于篇幅，只列出各構(gòu)件最大應(yīng)力，見(jiàn)表1。

表1 不同幅度工況下各結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力 單位：MPa

從計(jì)算結(jié)果可知，起重機(jī)在工作幅度較小（25～45m）時(shí)，臂架應(yīng)力較高；在工作幅度較大（45～80m）時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)應(yīng)力較高。門(mén)架及人字架在各工況下應(yīng)力均有較大盈余。在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性情況下可適當(dāng)減少材料用量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以降低成本。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)D4085門(mén)座起重機(jī)整體鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模，加載并求解有限元模型得出各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，證明鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。本仿真計(jì)算研究也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。