電動單梁起重機的強度和剛度分析

摘要： 電動單梁起重機作為一種起重運輸機械，重物掛在其上，比較簡單，可以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。但作為一種大型承重機械，一旦出現(xiàn)事故，不但影響生產(chǎn)，甚至造成車毀人亡，因此對其強度和剛度提出較高的要求。文章通過三維UG軟件建立電動單梁起重機模型，導(dǎo)入到HyperMesh有限元分析軟件中，建立有限元模型，劃分網(wǎng)格，加載力和約束，然后在Nastran軟件中進行強度和剛度分析。通過分析表明，采用該軟件進行設(shè)計分析，可以提高產(chǎn)品設(shè)計的周期和大大降低成本。

關(guān)鍵詞：電動單梁起重機；有限元；強度；剛度；載荷與邊界條件

中圖分類號：TH211文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）01-0078-02

一、概述

伴隨著我國計算機技術(shù)的發(fā)展，先進的分析設(shè)計方法和計算方法在很多領(lǐng)域已經(jīng)大量應(yīng)用，如今突破傳統(tǒng)設(shè)計方法和理念，把有限元法的分析設(shè)計方法引入特種設(shè)備的設(shè)計和制造已經(jīng)開始應(yīng)用于部分企業(yè)，在節(jié)省材料的同時，產(chǎn)品設(shè)計成本可以大大減小，其帶來的經(jīng)濟效益將十分顯著。

HyperMesh軟件在機械行業(yè)得到廣泛的使用。根據(jù)所用的求解器不同，HyperMesh軟件首先要將導(dǎo)入的幾何模型進行簡化處理，為進一步建立其有限元模型做準備。其次要定義其邊界條件，包括各種約束和載荷類型等。MSC.Patran是一個大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，其主要的分析功能有：靜力學(xué)分析、屈曲分析、動力學(xué)分析、熱力學(xué)分析等。

目前我國很多企業(yè)對單梁購買量越來越大，單梁經(jīng)濟性和安全性和成為客戶的主要衡量指標。且電動單梁起重機又是企業(yè)用得橋門類起重機最多的起重機，它的性能好壞直接關(guān)系到起重機操作工的安全性，一旦出現(xiàn)事故，不但影響生產(chǎn)，甚至造成車毀人亡，有可能影響企業(yè)的整體經(jīng)濟性和企業(yè)形象。

二、有限元建模

建立單梁的有限元模型，就是根據(jù)所分析的問題的具體情況，選取合適的有限元單元。有限元模型是進行有限元分析的基礎(chǔ)，有限元模型的精度對問題的求解規(guī)模和準確性有很大的影響。首先把三維UG圖形通過.IPGS模式導(dǎo)入到Hypermesh軟件，電動單梁起重機各個部件網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格的劃分調(diào)整要根據(jù)實際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度決定，在其結(jié)構(gòu)形狀變化大比較復(fù)雜的區(qū)域，單元劃分要密，結(jié)構(gòu)相對簡單的地方單元劃分要疏些，以便在不影響計算精度的前提下，使計算機的計算時間減少。

由于鋼材都是板件，采用殼單元進行劃分網(wǎng)格。在劃分網(wǎng)格之前需要把三維圖形抽中面，清理網(wǎng)格等。

三、有限元分析

（一）有限元單元

由于鋼材都是薄板件，采用殼單元進行劃分網(wǎng)格。對于焊點用Weld單元面—面連接和Rigid點—點單元連接來模擬；對于比較大的焊縫，用補單元的方式進行模擬；比較小的焊縫用節(jié)點耦合，或者兩者相結(jié)合使用。螺栓連接也是轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要承載方式之一。關(guān)于螺栓的連接，在該車型中主要有三種格式的，由圖中可以清楚的看到（對于螺栓的模擬方法與焊點類似）。

（二）載荷與邊界條件

電動單梁起重機由起升機構(gòu)、運行機構(gòu)和裝卸橋組成。主梁和端梁是起重機的重要組成部分，其安全可靠性直接決定著起重機的工作能力和工作質(zhì)量。單梁主要由電動葫蘆、金屬結(jié)構(gòu)、大車運行機構(gòu)、電氣裝置等組成。在分析中很多地方需要進行簡化，例如電動葫蘆和電氣裝置的連接以及電氣裝置等。單梁的材質(zhì)為Q235B，10t-20m的額定起重量為10t，跨度為20m，工作級別為A3，輪距為4m，起升高度為8m，起升速度為8m／min，大車速度為20m／min，小車速度為20m／min，上蓋板厚×長為8mm×600mm，下蓋板厚×長8mm×600mm，腹板厚×高6mm×800mm，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×10２，密度為7.85×10６kg/m3。在額載時單梁載荷為10t，取動力系數(shù)為1.25，由此起升載荷為12500kg其他的電器裝置總共為0.5t，葫蘆為1.2t，這些載荷以均載荷加載到相應(yīng)的單元上面。

電動單梁起重機的實際工作狀態(tài)，邊界條件是大車支腿與鋼結(jié)構(gòu)軌道的支撐點為X方向、Y方向、Z方向以及繞X、Y軸的旋轉(zhuǎn)，從而模擬單梁大車行走的方向。

（三）有限元分析結(jié)果

在Nastran軟件中進行強度和剛度分析，通過強度計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形。利用最大復(fù)合應(yīng)力評價結(jié)構(gòu)靜強度，對于該起重機，安全系數(shù)取1.33，材料Q235的屈服極限為235MPa，因此該起重機的許用應(yīng)力為176.7MPa。最大靜撓度用來評價結(jié)構(gòu)靜剛度，依據(jù)GB3811-2008，該起重機中部載荷工況最大靜撓度YL不超過28.6mm（對A3級別，YLS／700，其中S為起重機跨度，此處為20m）。

起重載荷位于跨度中部工況靜強度分析應(yīng)力云紋圖，如圖1所示：

通過板殼元應(yīng)力云紋圖，最大復(fù)合應(yīng)力為156MPa，在主梁的中間部位上，該起重機在該工況下滿足靜強度要求。起升載荷作用點最大垂向變形量為20mm，小于28.6mm，滿足靜剛度要求。

四、結(jié)論

1．分析電動單梁起重機的剛度和強度，能夠提前獲得其抵抗變形能力，有利于了解其結(jié)構(gòu)的性能

原因。

2．通過有限元分析，計算出電動單梁起重機有限元模型的強度和剛度，為進一步研究電動單梁起重機的其他特性分析提供了實際參考，且通過分析表明，采用該軟件進行設(shè)計分析，可以提高產(chǎn)品性能和開發(fā)周期，具有很好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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作者簡介：李芳龍（1982-），男，安徽宣城人，供職于安徽省特種設(shè)備檢測院起重檢測中心，碩士，研究方向：起重檢驗檢測。

（責(zé)任編輯：趙秀娟）