張 凱 王 健 山東省特種設(shè)備檢驗研究院濟(jì)寧分院

畢曉恒 太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

基于ANSYS的橋機(jī)金屬結(jié)構(gòu)校核

張 凱 王 健 山東省特種設(shè)備檢驗研究院濟(jì)寧分院

畢曉恒 太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

針對起重機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計方法中存在的包括材料浪費(fèi)等諸多問題，以160t-16m的橋式起重機(jī)為研究對象，以ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL為研究工具，參照相關(guān)圖紙和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，對橋式起重機(jī)主梁金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模并進(jìn)行有限元分析，采用許用應(yīng)力法對其進(jìn)行校核，判斷其是否滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等使用要求。

橋式起重機(jī) ANSYS APDL

橋式起重機(jī)作為一種主要的物料搬運(yùn)機(jī)械，其提升物料的范圍也可以從幾噸、幾十噸達(dá)到了上百噸甚至上千噸。金屬結(jié)構(gòu)作為起重機(jī)的“骨架”，重量約占起重機(jī)總重的60%～80%，起到了支撐并傳遞起重機(jī)運(yùn)行載荷的作用。在實際運(yùn)行中，起重機(jī)要受到多重載荷的聯(lián)動作用，受力情況復(fù)雜，對其進(jìn)行傳統(tǒng)的力學(xué)計算難度較大，而且很容易出錯。對于復(fù)雜模型，有限元由于其強(qiáng)大的分析能力及可靠的計算結(jié)果，而且，采用有限元分析方法還可以解決一些傳統(tǒng)力學(xué)計算無法解決的問題。本文就以160T-16m的某水電站橋式起重機(jī)為研究對象，起重機(jī)結(jié)構(gòu)總圖如圖1所示，校核其主梁強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，力求獲得一種優(yōu)質(zhì)的起重機(jī)設(shè)計方法。

1 建立橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型

1.1 建立有限元模型

建立正確的有限元模型是有限元分析的基礎(chǔ)，模型的不正確會直接導(dǎo)致有限元計算結(jié)果的不準(zhǔn)確。本文在充分分析廠家提供的圖紙的基礎(chǔ)上，如圖2的主梁截面，結(jié)合作者多年對起重機(jī)有限元分析的經(jīng)驗，對模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?，忽略了一些小的倒角、螺栓，并對結(jié)構(gòu)中形成尖角的部位進(jìn)行了圓整處理，避免出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中，保證結(jié)果的正確性。所建立的模型如圖3所示。

圖2 主梁截面圖

1.2 定義單元類型

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分之前，首先需要選擇正確的單元類型和設(shè)置與實際使用材料相同的材料屬性。起重機(jī)箱型梁結(jié)構(gòu)的是由鋼板焊接而成，對于主梁及端梁結(jié)構(gòu)采用具有彎曲和薄膜功能的SHELL63單元模擬，鋼板所用材料為Q345，小車軌道使用的材料是軌道鋼20CrMnTi，采用實體單元SOLID45模擬。對兩種單元及相應(yīng)的材料的定義如下命令所示，兩種材料對應(yīng)的屬性見表1。

ET,1,SOLID45!定義單元實體單元,單元編號為1

ET,2,SHELL63!定義編號為2的單元類型

MP,EX,1,6.62E10!定義實體單元的彈性模量

MP,PRXY,1,0.27!指定實體單元的泊松比

MP,DENS,1,7200!指定單元1的材料密度

MP,EX,2,2.06E11!定義殼單元的彈性模量

MP,PRXY,2,0.28!指定殼單元的泊松比

MP,DENS,2,7850!指定單元2的材料密度

1.3 劃分網(wǎng)格

ANSYS程序為用戶提供了多種高級的網(wǎng)格劃分技術(shù)，如對于體單元的掃略（SWEEP）網(wǎng)格劃分，對于面和體的映射（MSHKEY,1）網(wǎng)格劃分技術(shù)等。然而，越高級的網(wǎng)格劃分技術(shù)對建模的要求也就越高，需要對模型采用大量的布爾運(yùn)算，方能使模型滿足網(wǎng)格劃分的需要。對圖3的起重機(jī)模型，作者采用的是映射網(wǎng)格劃分的方法，生成了圖4所示的十分規(guī)則的網(wǎng)格模型。

2 進(jìn)行有限元分析

2.1 施加邊界條件

在實際情況下，起重機(jī)運(yùn)行工況復(fù)雜，而且每一種工況都受到多種不同的載荷的組合作用。本文在多工況條件下的起重機(jī)運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明，當(dāng)滿載小車位于主梁跨中，大車運(yùn)行制動時（考慮大車運(yùn)行偏斜側(cè)向力和主梁自重的影響）主梁承受的載荷最大。

2.2 計算結(jié)果分析

完成以上的設(shè)置和求解操作，便可以進(jìn)入后結(jié)果處理器(/POST1)查看計算結(jié)果，對模型進(jìn)行結(jié)果的后處理操作，提取如圖5(a)結(jié)構(gòu)的變形圖、如圖5(b)的應(yīng)力云圖、繪制如圖6(a)和6(b)的應(yīng)力曲線等。主梁金屬結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力為[σ]=345/1.33=259.4MPa，許用撓度為[Ys]=S/500=32mm。

由圖5的計算結(jié)果可知，主梁跨端與端梁的連接處出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為168MPa，在設(shè)計起重機(jī)的過程中一定要將這一部分的應(yīng)力集中情況充分的考慮進(jìn)去，否則將會出現(xiàn)相當(dāng)嚴(yán)重的后果。最大變形的計算結(jié)果為4.841mm，最大應(yīng)力和最大變形結(jié)果均小于許用值，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度均滿足設(shè)計要求。由圖6的應(yīng)力曲線可以清楚的了解到主腹板所受最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，最大結(jié)果應(yīng)力產(chǎn)生于小車車輪作用處。

3 結(jié)論

本文以雙梁橋式起重機(jī)為研究對象，結(jié)合ANSYS的參數(shù)化設(shè)計語言APDL，完成了起重機(jī)結(jié)構(gòu)的簡化建模、網(wǎng)格劃分、約束、加載和結(jié)果后處理等整個有限元靜力學(xué)分析過程，并實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)化，為同種類型、不同尺寸的起重機(jī)進(jìn)行快速有限元分析提供了可能。本文采用傳統(tǒng)的許用應(yīng)力法校核主梁金屬結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果表明，當(dāng)滿載小車位于主梁跨中位置時，會在主梁與端梁的連接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。另外由于小車車輪產(chǎn)生的局部輪壓的作用也會產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力集中。

1 張朝輝.ANSYS12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實例解析.機(jī)械工

業(yè)出版社,2010

2 包陳,王呼佳,等.ANSYS工程分析進(jìn)階實例9(修訂版).北京:中國水利水電出版社,2009.10

3 徐格寧. 機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計.機(jī)械工業(yè)出版社,2009

4 曾攀, 有限元分析及應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2004

5 龔曙光,謝桂蘭,等.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009

6 劉麗賢,馬國鷺,趙登峰.基于APDL的ANSYS網(wǎng)格劃分及

應(yīng)用.重慶科技學(xué)院學(xué)報,2008,10(5)

Material-wasting is a problem in the metal structure of gantry crane designing. Taking the 160t-16m bridge crane for example, based on ANSYS parametric design language APDL, with reference to relevant drawings and data structure, the metal structure of crane was modeled and analyzed by fi nite element analysis method.The allowable stress method is adopted for checking whether it satisfies the requirement of strength, stiffness and stability etc.

Bridge crane ANSYS APDL

2013－11－06）