陸善貴 潘曉光 桂林市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所

起重機基于ANSYS的設(shè)計驗證性分析

陸善貴 潘曉光 桂林市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所

為了保障起重機的安全，在設(shè)計之后便會對其設(shè)計進行計算驗證，特別是其金屬結(jié)構(gòu)和整機的性能。本文以橋式起重機為分析目標，為了解決計算上的不足和增高精確性，用國際領(lǐng)先且在工程領(lǐng)域最為廣泛的ANSYS軟件來進行計算。用該軟件的參數(shù)化設(shè)計來建立起重機的三維模型。通過在不同的工況下載荷的施加，仿真出在該載荷下的應(yīng)力應(yīng)變值，并與設(shè)計的目標進行對比，通過驗證在不同的工況下的載荷組合、強度、靜剛度和支腿的穩(wěn)定等多項指標來分析判斷設(shè)計是否合理。為設(shè)計人員提供參考依據(jù)。

1 起重機設(shè)計主要參數(shù)

1.1 材料參數(shù)

材料選擇為Q-2 3 5 A，這是一種在起重機制造領(lǐng)域常用牌號，在常溫下，其彈性模量為2.16×105MPa,屈服極限為235MPa,松泊比為0.3，質(zhì)量密度為7800kg/m3。

1.2 整機工作屬性

主要工作的屬性見表1。

表1 起重機工作屬性

2 有限元思想及ANSYS軟件

有限元的基本思想是為把復(fù)雜的問題簡單化，任何結(jié)構(gòu)體都可以看作是由許多細小的單元組成，這些細小的單元之間通過節(jié)點連接，所以在有限元分析過程中，這些結(jié)構(gòu)體并不是由整體組成，而是由這些細小的單元組成，將這些單元組成一系列的方程和施加一定的約束后求解，便可以得到理論上的分析值。

3 邊界約束條件

整體約束情況如圖1所示與見表2。

圖1 橋式起重機簡化圖

表2 約束點及約束方位明細表

ROTX,ROTY,ROTZ： 繞 x,y,z 軸的回轉(zhuǎn)自由度；

1： 約束；0：自由；

圖1中表明了大車的軌道方向和柔性鋼性支腿的分布情況，由于對橋式起重機的整體進行分析，但支點不包括在y和z軸上的變形，所以對其4個支點的y軸和z軸進行約束，對其在x，y，z軸上的回轉(zhuǎn)自由度不進行約束。

4 模型的建立

通過參數(shù)化設(shè)計進行建模時，為了更加快速的建立，因為小車和橋架是由鋼板和型鋼焊接而成，本文采用的是分塊化建模方法，建立模型是將實體通過參數(shù)化表達為計算機能識別的虛擬物體，所以模型的建立對分析結(jié)果至關(guān)重要。而分析的目的是為了計算出相應(yīng)的受力，只要對其進行正確的設(shè)置即可由計算機來完成。為了簡化本模型，在建模時小車和橋架按照正確的尺寸進行建模，對于其小車上的零部件則會以質(zhì)量點來代替。

橋架和小車上的主要鋼板或型鋼以單元shell63來模擬鋼板，以單元BEAM189來模擬型鋼 。用單元MCP184來模擬支撐點的約束，對于小車上的零部件，如減速機，制動器等則是以MASS21來代替。

其機構(gòu)的單元劃分見表3。

表3 單元劃分明細表

5 載荷組合

作用在橋式起重機上的載荷可以總體的分為自重載荷，工作載荷，外界附加載荷(運行沖擊載荷，風載荷，慣性載荷等)。選擇這幾種常規(guī)載荷的組合模式，在不同的工況通過ANSYS來計算其應(yīng)力分布值和剛度值，以此來辨別設(shè)計是否達標。載荷組合見表4。

表4 工況組合明細表

6 計算工況及求解

6.1 工況1

載荷組合 結(jié)構(gòu)自重和起升動載沖擊

1）A：應(yīng)力計算結(jié)果見表5。

表5 工況1應(yīng)力計算結(jié)果

圖2 工況1整機應(yīng)力云圖和桁架應(yīng)力云圖（小車在位置2時）

2）剛度云圖如圖3所示，計算結(jié)果見表6。

表6 工況1剛度計算結(jié)果

圖3 工況1剛度云圖(小車在位置2時)

6.2 工況2

載荷組合：運行沖擊和水平側(cè)向力,風載和慣性力1）應(yīng)力云圖如圖4所示，計算結(jié)果見表7。

表7 工況2應(yīng)力計算結(jié)果表

圖4 工況2應(yīng)力計算云圖

2）剛度計算云圖如表5所示，剛度計算結(jié)果見表8。

表8 工況2剛度計算結(jié)果表

圖5 工況2剛度計算圖

6.3 工況3

載荷組合 結(jié)構(gòu)自重和非工作風載

1）應(yīng)力云圖如圖6所示，計算結(jié)果見表9。

表9 工況3應(yīng)力計算結(jié)果表

圖6 工況3應(yīng)力計算云圖

2）剛度云圖如圖7所示，計算結(jié)果見表10。

表10 工況3剛度計算結(jié)果表

圖7 工況3剛度計算云圖

小結(jié)：工況1、工況2、工況3的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在主梁上弦桿跨中部，最大應(yīng)力值分別為123MPa、107MPa、103MPa，小于Q235許用應(yīng)力值176MPa，最大撓度值分別為15.53mm、15.77mm和3.07mm，小于許用撓度值47mm，強度剛度均滿足設(shè)計要求。

7 支腿穩(wěn)定性計算

7.1 柔性支腿

由金屬結(jié)構(gòu)施工圖紙可知，柔性支腿主肢為軸心受壓構(gòu)件，其幾何特性參數(shù)如下：

柔性支腿主肢材料：Q235（取σs=235MPa）

柔性支腿主肢計算長度：l=10000mm

柔性支腿主肢截面面積：A=4736mm2

柔性支腿主肢截面慣性距：I=6.9×107mm4

由λ2＜λ＜λ1可以判斷柔性腿為中等柔度壓桿，因此可以用直線公式σcr＝a-bλ計算臨界應(yīng)力σcr：

a、b--與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。

σcr＝a-bλ＝304-1.12×87.7=205.7MPa

根據(jù)ANSYS 模型輸出數(shù)據(jù)可知，在工況2，小車位置位于柔性腿側(cè)極限位置時，主肢承受的軸向壓力和彎矩分別為：F＝1.31×105N。根據(jù)公式σ＝≤φ[σ]進行校核，由長細比查表得φ＝0.575：

7.2 剛性支腿主肢

由金屬結(jié)構(gòu)施工圖紙可知，剛性腿主肢為壓彎構(gòu)件，其幾何特性參數(shù)如下：

剛腿支腿主肢材料：Q235（取σs=235MPa）

剛腿支腿主肢計算長度：l=14000mm

剛腿支腿主肢截面面積：A=4736mm2

剛腿支腿主肢截面慣性距：I=6.8×107mm4

根據(jù)ANSYS 模型輸出數(shù)據(jù)可知，在工況2，小車位置位于腿側(cè)極限。位置時，主肢承受的軸向壓力和彎矩分別為：F＝1.31×105N，M＝1.03×107N·mm。

進行校核

式中：F——作用在支腿上的壓力；

Mf——作用在支腿上的彎矩；

I——為支腿的截面慣性距；

W——構(gòu)件長細比的失穩(wěn)系數(shù)（查表得W=1.61）。

因此，

8 總結(jié)

本文基于ANSYS的虛擬仿真計算，包括對傳統(tǒng)計算的應(yīng)用，成功的實現(xiàn)了較為完整的起重機整體結(jié)構(gòu)分析和計算。起重模型有了必要的簡化，并不是完全與實物等價，其分析方法只能作為參考。通過計算機的虛擬仿真計算和傳統(tǒng)計算結(jié)果來看，本起重機的金屬結(jié)構(gòu)靜強度、靜剛度、支腿的穩(wěn)定性均滿足要求。對起重機械的設(shè)計驗證性分析有較好的借鑒作用。

1 陳瑋璋.起重機械金屬結(jié)構(gòu).北京：人民交通出版社,1998

2 邵蘊秋.ANSYS 10.0有限元分析實例導(dǎo)航.北京：中國鐵道出版社,2004

2013－08－20）