三角桁架門式起重機結(jié)構(gòu)的計算及測試分析

曹 明，胡靜波

（南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210019）

起重機屬于機電類特種設(shè)備，廣泛用于交通、電力、建筑、港口等生產(chǎn)流通領(lǐng)域。門式起重機是起重機中最常見的型式之一，包括金屬結(jié)構(gòu)、運動機構(gòu)、電氣系統(tǒng)和安全保護(hù)裝置等部分。其中金屬結(jié)構(gòu)一般占整機重量的70%以上，起到支撐整機和承載吊重的雙重作用。

一直以來，對起重機金屬結(jié)構(gòu)安全性的計算、評價和研究都是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點。傳統(tǒng)上，對于起重機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算是采用材料力學(xué)理論計算方法，但其中會有很多經(jīng)驗公式和簡化算法可能會導(dǎo)致計算結(jié)果與實際情況的差別。近年來，隨著計算機和仿真技術(shù)的發(fā)展，計算機有限元越來越多的應(yīng)用在起重機金屬結(jié)構(gòu)的計算中。該方法可建立起重機的實際模型，通過設(shè)置不同的邊界條件和載荷分布獲得起重機的應(yīng)力分布情況。但在使用這種方法時，考慮到計算機的算力問題，也會對模型進(jìn)行一定程度的簡化，同時邊界約束條件的設(shè)定是否正確也直接影響計算結(jié)果的正確性。檢驗機構(gòu)在對金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估時，一般會采用現(xiàn)場應(yīng)力測試，以電測法為主，通過在金屬結(jié)構(gòu)上貼應(yīng)變片后現(xiàn)場加載的方式，可獲得貼片位置結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)力值，但該方法存在現(xiàn)場貼片難度大以及測點選擇的隨機性等問題。本文將這3種方式同時應(yīng)用于金屬結(jié)構(gòu)的計算與分析中，并對其結(jié)果進(jìn)行驗證和比對。

門式起重機主梁類型分為箱型、桁架和型鋼等3種型式。桁架結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性和較小的迎風(fēng)面積，通常用于露天施工現(xiàn)場。本文選取MQ50-32A3型桁架式門式起重機為分析對象，其額定起重量為50t，跨度為32m，工作級別為A3，材質(zhì)為Q235B。

1 材料力學(xué)計算

該起重機的主要參數(shù)如下：

起重量：PQ=50t；

大車跨度：L=32m；

小車自重：PXC=5000kg；

主梁自重：PZL=12580.5×2=25161kg；

桁架全高度：H=2315mm。

1.1 主梁截面特性

主梁截面如圖1所示，根據(jù)此圖紙尺寸計算主梁截面特性。

截面總慣性矩為：Ix=Ix1+Ix2+Ix3=2379696.87cm4；Iy=Iy1+Iy2+Iy3=257944.94cm4。

1.2 強度計算

計算小車在跨中吊起額定載荷的工況，對此時上弦桿、下弦桿和腹桿上各自的跨中部位即最大受力處進(jìn)行分析。

圖1 桁架截面

（1）上弦桿。

（2）下弦桿。

最大受拉處結(jié)構(gòu)強度

（3）斜腹桿。

2 有限元計算

2.1 模型建立

該起重機的主梁和支腿間采用高強度螺栓連接，為方便模擬計算，建模時可簡化為剛性連接。主梁托架與支腿、支腿與拉桿、支腿與穩(wěn)定桿之間的連接通過圓柱銷連接，在建模時將圓柱銷連接簡化為剛性連接。按照起重機實際尺寸在有限元分析軟件ANSYS中建立幾何模型。

根據(jù)結(jié)構(gòu)類型的不同，在軟件中采用不同的網(wǎng)格劃分方式：采用Sweep方式對起重機的上弦桿、腹桿以及小車軌道進(jìn)行網(wǎng)格劃分；采用hex-dominant方式對下弦桿、主梁托架、主支腿進(jìn)行網(wǎng)格劃分；對其他零部件選擇自由方式劃分。對于不同位置的零部件調(diào)節(jié)網(wǎng)格尺寸大小，最終劃分后的網(wǎng)格模型包含2244880個節(jié)點、755760個單元，如圖2所示。

2.2 邊界條件及加載

按照Q235的常規(guī)屬性進(jìn)行材料設(shè)置：密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。該起重機的主梁兩端與支腿通過高強度螺栓連接，在有限元分析的建模階段已經(jīng)被簡化為剛性連接，不需要再額外進(jìn)行約束。在靜剛度測試過程中，大車機構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，在分析時可在大車車輪處施加不同的約束。在試驗過程中，理論上大車車輪與軌道應(yīng)當(dāng)始終保持接觸，因此固定約束所有車輪的重力方向自由度和沿軌道方向的自由度，約束一邊支腿2個車輪垂直于軌道方向的自由度，另一邊支腿不應(yīng)約束該自由度。

因為在起重機靜力試驗時沒有考慮到風(fēng)載和振動等特殊載荷，因此在模擬仿真時也只需要考慮包括起重機自重載荷和額定載荷在內(nèi)的常規(guī)載荷即可。主梁及附件自身質(zhì)量作為自重載荷處理，小車質(zhì)量和起吊的額定載荷一起作為集中載荷加載在小車的4個車輪處。

2.3 強度計算結(jié)果

考慮小車在跨中起吊額定載荷工況，計算后的整機Von Mises應(yīng)力分布如圖3所示，從該圖可以主梁上弦桿以及下弦桿應(yīng)力分布比較均勻，在跨中及附近位置應(yīng)力比較大。主梁跨中上弦桿局部應(yīng)力分布如圖4所示，從圖中可見除輪壓處最大應(yīng)力為146MPa外，其他應(yīng)力都分布在100MPa左右；跨中下弦桿局部應(yīng)力分布如圖5所示。從圖中可見，最大受拉處的應(yīng)力為106MPa。

3 應(yīng)力測試

采用電測法進(jìn)行起重機現(xiàn)場應(yīng)力測試。該結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu)，主應(yīng)力方向明確，貼片方式采用沿主應(yīng)力方向貼單片應(yīng)變片。參考理論計算和有限元分析結(jié)果確定17個測點，測點分布如圖6所示。

圖4 主梁跨中上弦桿局部應(yīng)力云圖

圖5 主梁跨中下弦桿應(yīng)力云圖

圖6 桁架應(yīng)力測試測點分布圖

應(yīng)力測試選用靜態(tài)應(yīng)變測試儀作為測試儀器，采樣頻率為1s。電測法應(yīng)力測試獲得的應(yīng)力為工作應(yīng)力，因此需要盡量避免小車自重的影響。在測試過程中，首先將起重小車停在主梁端部，調(diào)整測試儀器，記錄應(yīng)變片空載狀態(tài)下的讀數(shù)；接著將起重小車開至跨中部位，起吊額定載荷，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄額載跨中時應(yīng)變片讀數(shù)。選取跨中部分測點的測試結(jié)果見表1。其中結(jié)構(gòu)應(yīng)力值為測試應(yīng)力值加上結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力的結(jié)果，結(jié)構(gòu)自重應(yīng)力可從有限元分析獲得。負(fù)數(shù)代表測點受到壓應(yīng)力，正數(shù)代表測點受到拉應(yīng)力。

表1 部分測點靜態(tài)應(yīng)力測試結(jié)果

4 比較分析

根據(jù)起重機械設(shè)計規(guī)范，金屬結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)為1.48。該起重機的金屬結(jié)構(gòu)材質(zhì)為Q235B，其屈服極限為235MPa，則結(jié)構(gòu)的最大許用應(yīng)力應(yīng)為158.8MPa。假定應(yīng)力測試選點的測點1—測點4分別為理論計算和有限元計算中上下弦桿的最大應(yīng)力點，則結(jié)構(gòu)的允許值、材料力學(xué)計算、有限元分析和現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果比較如圖7所示。

圖7 3種方法各位置應(yīng)力比較

從圖7可以看出，材料力學(xué)計算方法的保守程度最大，現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果相對偏小。以下弦桿受拉位置即測點3為例，材料力學(xué)計算結(jié)果為132MPa，有限元計算結(jié)果為107MPa，而現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果為82.4MPa，應(yīng)力測試與材料力學(xué)計算差值達(dá)37.5%。

材料力學(xué)的計算結(jié)果偏大是由于使用了較多的保守經(jīng)驗公式和簡化方法，使得計算結(jié)果可能與現(xiàn)實情況有一定的偏差。計算結(jié)果偏于安全，這在設(shè)計中是完全可以接受的，但同時也有可能會造成一定的材料浪費。有限元計算結(jié)果與材料力學(xué)方法的結(jié)果偏差可能來源于模型的簡化程度和網(wǎng)格劃分的合理性，現(xiàn)場應(yīng)力測試數(shù)據(jù)偏小可能是由于現(xiàn)場貼片的位置和角度與理論有所偏差。相對來說，有限元計算結(jié)果更接近結(jié)構(gòu)現(xiàn)場的現(xiàn)實情況。

5 結(jié)束語

本文以材料力學(xué)方法、有限元分析和現(xiàn)場應(yīng)力測試的方法對同一桁架門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。通過3種方法結(jié)果的比較可知，有限元模擬分析方法對起重機金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算更快捷和方便，但同時也應(yīng)當(dāng)采用理論計算和現(xiàn)場測試的方法對有限元分析方法的結(jié)果進(jìn)行驗證。本文的分析過程和結(jié)論可為同類型起重機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計、檢測和安全評估提供新的思路和途徑。