基于有限元分析的起重機主梁優化設計

寧朝陽，徐 娟

（湖南工業職業技術學院 機械工程系，湖南 長沙 410000）

對金屬結構實施優化設計，已經成為現代機械設計中很重要的組成部分。與此同時，為了更好地安全評估結構優化后產品的安全性能，有限元分析技術在金屬結構設計中，同樣得到了廣泛應用。由于起重機在許多工況條件下受力非常復雜，而采用傳統的計算方法，往往很難得到準確的結果，設計人員出于對起重機安全考慮，在許多情況下，不得不加大其安全系數，致使在制造時浪費許多材料，并在一定程度上，增加了基建費用。因此，針對橋式起重機金屬結構的優化設計研究顯得尤為重要。

1 橋式起重機金屬結構優化設計

1.1 優化設計受力模型

橋式起重機作為物料搬運機械，其主要由橋架金屬結構、小車、大車運行機構、電氣控制系統、潤滑系統等部份組成。橋架金屬結構承受著橋吊自重及外載荷。企業目前常見的電動橋吊橋架金屬結構受載情況如圖1所示，主梁截面如圖2所示。

圖1 橋式起重機橋架結構和受載簡圖

圖2 主梁截面結構簡圖

1.2 目標函數

結合目前起重機自重偏大的特點，橋架金屬結構優化設計以總質量為設計指標，主粱是橋架的核心，其總質量主要決定于截面結構尺寸。主粱主要由蓋板、腹板和加勁板焊接而成。在優化設計中的設計變量由腹板高、左右腹板間距、蓋板厚度、腹板厚度以及重量較大的加勁板厚度構成。通過設計計算得到橋式起重機優化設計的目標函數表達式：

1.3 約束條件

作為起重機骨架，橋架約束指標主要從強度、剛度、穩定性方面進行考慮，同時，滿足起重機設計制造規范（包含制造工藝要求的邊界條件）。典型約束條件包括：正應力約束，剪應力約束，靜剛度，動剛度約束等，以正應力約束為例，其它約束公式此處略。

1.4 有限元分析

采用ALGOR作為有限元分析工具，通過對典型橋架金屬結構進行多工況靜力、動力分析，及時發現問題，并反饋給設計人員，為設計人員進行修改工作提供設計依據。以公司180/50T橋式起重機優化后的金屬結構安全評估為例，其金屬橋架結構簡圖如圖3所示，主梁截面結構如圖4所示。

圖3 180t橋吊橋架結構簡圖

圖4 偏軌主梁截面結構圖

2 優化設計結果

根據該180/50T鑄造吊金屬結構的結構以及受力特點，在3D模型的基礎上建立有限元模型，采用板元和體元，整個金屬結構使用427 270個節點，網格劃分數量為323 780。邊界條件中載荷分析考慮金屬結構的自重載荷、小車的自重載荷和起升載荷等，慣性載荷分布比例為0.355。對大車運行車輪與軌道實施約束，采取主動輪一側剛性固定，從動輪一側采取鉸接處理的方式，最終得到圖5所示的有限元分析模型。通過有限元分析計算，得到剛度及應力情況：主梁最大應力為215 Mpa，端梁最大應力為57 Mpa，主梁最大變形為27 mm，如圖6所示；動剛度計算，一階頻率6.26 Hz，二階頻率6.65 Hz，三階頻率6.87 Hz，四階頻率6.89 Hz，其一階頻率模態如圖7所示。對照起重機設計標準手冊，該橋架的強度、靜剛度和動剛度均滿足要求。

圖5 有限元分析模型

圖6 橋架應力分布

圖7 一階頻率模態圖

3 結束語

通過嚴謹的起重機結構優化基礎性研究，一個更加合理的優化設計程序形成了。采用經過驗證后的程序來優化橋式起重機結構，在滿足其性能要求的情況下，起重機性價比得到較大提升，金屬結構自重減輕了15%，產生良好的經濟效益。

[1]S.K．Method Of moving asymptotes new method for Structural optimization[J].Int.J.Num.Meth.Eng,1998,(28):360-373.

[2]漆小敏,丁 芳,等.起重小車計算機輔助設計的研究[J].煤礦機械，2011（,2）：19-21.

[3]張質文，虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1997.

[4]孫靖民.機械優化設計（第三版）[M].北京：機械工業出版社，2007．

[5]譚浩強，徐士良.程序設計與開發技術[M].北京：清華大學出版社，2005．

[6]劉云峰.橋式起重機箱形主梁腹板新型結構研究[D].昆明：昆明理工大學，2001．