蔣兆軍， 曹冬美， 何雪明

（1.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫 214122；2.江南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122）

橋式起重機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化起著非常重要的作用。它的出現(xiàn)大大減少了重物搬運(yùn)、裝載的困難，所以橋式起重機(jī)在室內(nèi)、外的工礦企業(yè)、鋼鐵化工企業(yè)、鐵路交通方面、港口碼頭裝載物資方面以及物流周轉(zhuǎn)等相關(guān)部門和場(chǎng)所都得到了非常廣泛的運(yùn)用。有限元法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已經(jīng)廣泛采用，本文對(duì)傳統(tǒng)的起重機(jī)進(jìn)行三維實(shí)體建模，并建立整機(jī)的有限元模型利用UG／NX軟件的CAE模塊進(jìn)行有限元分析。通過分析結(jié)果研究其在滿載的情況下的受力分布情況、最大撓度和應(yīng)力分布，從而發(fā)現(xiàn)其中存在的問題。針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題對(duì)起重機(jī)進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后再對(duì)優(yōu)化后的起重機(jī)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1 三維實(shí)體模型

根據(jù)現(xiàn)有的資料利用UG／NX軟件建立起重機(jī)的各個(gè)零部件的實(shí)體模型。圖1為完成的起重機(jī)的主動(dòng)輪部件的模型，圖2為從動(dòng)輪部件，圖3為起重機(jī)的端梁支撐架的裝配模型，圖4為起重機(jī)的整體裝配圖。

建立了現(xiàn)有起重機(jī)的整體三維模型，為進(jìn)行三維有限元仿真分析做準(zhǔn)備。

圖1 起重機(jī)主動(dòng)輪裝配模型

圖2 起重機(jī)從動(dòng)輪裝配模型

圖3 起重機(jī)的端梁支撐架

圖4 起重機(jī)整體模型

2 有限元模型

該起模型的起重機(jī)主梁跨度設(shè)計(jì)為14 000 mm，額定載質(zhì)量設(shè)計(jì)為2t，在對(duì)主梁該進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分時(shí)考慮到主梁蓋的厚度和長度比為1∶2 800，由于比例相差太大所以不能用三維四面體網(wǎng)格單元，因而先抽取主梁蓋的中性面并且采用二維四邊形單元進(jìn)行劃分。對(duì)其他零部件都可以采用三維四面體網(wǎng)格單元進(jìn)行劃分，整體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5。

圖5 網(wǎng)格劃分

建立各個(gè)零件之間的關(guān)系，對(duì)于是焊接連接的各個(gè)零件采用曲面到曲面膠合連接，創(chuàng)建主梁蓋和其他零件之間的連接關(guān)系時(shí)由于主梁蓋是二維片體采用1D剛性連接模擬焊接關(guān)系。起重機(jī)的4個(gè)輪子是支撐點(diǎn)在靜力狀態(tài)下應(yīng)施加固定約束，起重機(jī)的額定起質(zhì)量為2t，考慮到變形最大的情況，因此在梁的中間施加2t的力，結(jié)果如圖6。

圖6 施加載荷和約束

對(duì)模型進(jìn)行解算，得到分析結(jié)果，如圖7為起重機(jī)的最大節(jié)點(diǎn)位移圖，最大位移發(fā)生在主梁中間部位，位移值達(dá)到了19.94mm。查閱起重機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)可知該值接近許用值的最大值，因此在實(shí)際生產(chǎn)中這樣的撓度是比較危險(xiǎn)的，這是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無法預(yù)測(cè)到的，需要采用一定的方法進(jìn)行改善。

圖7 整體位移圖

分析整機(jī)的應(yīng)力分布情況，如圖8為應(yīng)力分布圖，圖9為應(yīng)力分布放大圖，由圖可知最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為217.28MPa，也是非常接近鋼的抗拉強(qiáng)度極限，最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力發(fā)生在主梁工字鋼與端梁連接的地方，主梁和端梁是焊接連接的，而工字鋼的截面積相對(duì)比較小，這就造成了應(yīng)力集中，導(dǎo)致此處的應(yīng)力值偏大，由此可以知道這里的結(jié)構(gòu)是不合理的，應(yīng)該對(duì)它進(jìn)行優(yōu)化。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)以上的有限元分析發(fā)現(xiàn)的問題，提出一些優(yōu)化改進(jìn)的方案，在主梁工字鋼上增加一塊加強(qiáng)板，如圖10為增加加強(qiáng)板的圖。

圖8 整體應(yīng)力分布

圖9 整體應(yīng)力分布放大圖

圖10 增加了加強(qiáng)板

由于主梁工字鋼的兩端和端梁的連接的面積較小，存在較大的應(yīng)力集中，因此考慮添加一個(gè)“L”型連接板，增加工字鋼與端梁的焊接面積，達(dá)到降低主梁工字鋼兩端的應(yīng)力。其改進(jìn)前后的對(duì)比圖如圖12。

圖12 增加“L”型板的前后對(duì)比圖

4 結(jié)構(gòu)驗(yàn)證

根據(jù)提出的優(yōu)化方案再次進(jìn)行有限元分析，其最大節(jié)點(diǎn)位移分析結(jié)果如圖13所示。最大位移仍然發(fā)生在主梁工字鋼的中間部位，這是符合實(shí)際情況的，最大值為14.15mm，對(duì)比優(yōu)化前有了明顯的降低，說明這樣的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是有實(shí)際效果的。

圖13 優(yōu)化后的位移分布

分析優(yōu)化后的應(yīng)力分布情況，結(jié)果如圖14所示，最大節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為126.59MPa，但發(fā)生在端梁的車輪處，因?yàn)檐囕喬幨侵吸c(diǎn)是受力最大的地方，所以應(yīng)力應(yīng)該最大，由此可知主梁工字鋼兩端的應(yīng)力集中已經(jīng)消除，這樣的優(yōu)化方案是可取的。

圖14 優(yōu)化后的應(yīng)力分布

5 結(jié)論

主要研究了傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的通用橋式起重機(jī)在滿載情況下的受力變形情況和應(yīng)力分布情況。分析找出其中存在的問題和不合理的結(jié)構(gòu)，對(duì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使得起重機(jī)在滿載情況下的受力變形明顯有所減小，應(yīng)力分布情況得到有效改善。最后對(duì)優(yōu)化后的起重機(jī)再次利用有限元分析以驗(yàn)證所采用方案的合理先進(jìn)性，取得了一定社會(huì)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］拜爾尼茨基.通用橋式起重機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1958.

［2］沈春根，王貴成.UG NX 7.0有限元分析入門與實(shí)例精講［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］天津起重設(shè)備有限公司、北京起重運(yùn)輸機(jī)械所.B／T 1306－2008電動(dòng)單梁起重機(jī)［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［4］陳煥星，趙星華.大型通用有限元結(jié)構(gòu)分析程序系統(tǒng)HAJIF（X）［J］.航空計(jì)算技術(shù)，1998（1）：22－25.