基于有限元法的門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

黃文翰

（福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，福建 福州 350008）

隨著貿(mào)易經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和港口貨物吞吐量不斷增長，門座起重機(jī)由于其良好的工作性能和通用性，成為港口裝卸作業(yè)不可缺少的重要設(shè)備。門座起重機(jī)的整體金屬結(jié)構(gòu)作為主要的承載部件，由于其露天、腐蝕性的工作環(huán)境以及較高的使用頻率和工作強(qiáng)度，易產(chǎn)生疲勞裂紋、腐蝕等缺陷，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能，并危及起重機(jī)使用安全。因此，分析門座起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并為生產(chǎn)和維修提供依據(jù)，具有十分重要的意義。傳統(tǒng)的門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析多采用力學(xué)計(jì)算方法，由于其設(shè)計(jì)變量較多，受力復(fù)雜，因此計(jì)算量大且較多采用經(jīng)驗(yàn)簡化或估算，勢必影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元分析方法具有建模方便快捷、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的突出優(yōu)點(diǎn)，日益成為起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析廣泛使用的分析方法[1]。

1 SDMQ1260/60E型門座起重機(jī)概況

本文分析的SDMQ1260/60E門座起重機(jī)由某水工機(jī)械廠1990年制造安裝，用于某電站建設(shè)施工，1998年起移至某造船廠用于造船用部件和材料的吊運(yùn)。該起重機(jī)自重約377t（含壓重56t），結(jié)構(gòu)大體可分為上部旋轉(zhuǎn)部分和下部運(yùn)行部分（見圖1），旋轉(zhuǎn)部分包括臂架系統(tǒng)（由象鼻梁、吊臂、大拉桿、小拉桿、變幅拉桿等組成）、人字架、平衡重、轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)臺(tái)等，通過起升、變幅、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在環(huán)形圓柱體空間升降物品；運(yùn)行部分主要是由門架和運(yùn)行臺(tái)車組成[2]。其中轉(zhuǎn)柱、門架和臂架系統(tǒng)是門座起重機(jī)最重要的承載構(gòu)件。

圖1 門座式起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

2 有限元模型的建立

2.1 有限元網(wǎng)格

根據(jù)SDMQ1260/60E型門座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，可把起重機(jī)的轉(zhuǎn)柱結(jié)構(gòu)、門架結(jié)構(gòu)和起重臂一起簡化成空間桿系結(jié)構(gòu)，采用ANSYS提供的空間梁單元BEAM188進(jìn)行離散化，整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分了9,920個(gè)單元、18,717個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要梁單元的截面參數(shù)見表1所示。圖2給出了簡化為桿系結(jié)構(gòu)的起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖，圖3給出了轉(zhuǎn)柱上部局部網(wǎng)格圖，圖4給出了轉(zhuǎn)柱下部和門架局部網(wǎng)格圖，圖5給出了起重臂局部網(wǎng)格圖。

表1 部分梁單元截面參數(shù)

圖2 起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖

圖3 轉(zhuǎn)柱上部局部網(wǎng)格圖

圖4 轉(zhuǎn)柱下部和門架局部網(wǎng)格圖

圖5 起重臂局部網(wǎng)格圖

2.2 材料參數(shù)

SDMQ1260/60E型門座起重機(jī)的型材選用Q235普通鋼，密度為7,800kg/m3，常溫下屈服極限為235MPa，定義彈性模量為2.1×105MPa，泊松比取0.3。

2.3 載荷工況

選取起重機(jī)最不利的運(yùn)行工況，分析起重機(jī)在相應(yīng)工況額定最大荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，并作為結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力測試布點(diǎn)的依據(jù)。因此計(jì)算工況選取起重機(jī)處于最小變幅和最大變幅狀態(tài)下兩種計(jì)算工況：

（1）最小變幅工況：吊鉤最大荷載60t，計(jì)算彎矩為1,260t·m；

（2）最大變幅工況：吊鉤最大荷載31t，計(jì)算彎矩為1,260t·m。

2.4 邊界條件

起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)的支座固定端全部采用剛性固定, 門架與平衡架相連的鉸點(diǎn)采用固定端約束形式，即6個(gè)自由度全部約束。臂架系統(tǒng)與人字架、平衡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)臺(tái)等部件的各鉸點(diǎn)均有不止一個(gè)軸承，且需考慮定位套筒的作用，因此在實(shí)際建模過程中將其處理為繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，使臂架系統(tǒng)在oxy平面內(nèi)可以自由擺動(dòng)。轉(zhuǎn)柱與門架、臂架與鋼絲繩、齒條與拉桿之間可繞Z軸相互轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在oxy平面上對線位移施加約束，Uz=0[3]。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

采用ANSYS結(jié)構(gòu)有限元分析程序?qū)ι厦娼⒌霓D(zhuǎn)柱、門架和起重臂有限元模型進(jìn)行強(qiáng)度分析。

表2給出了在起吊重量為60t時(shí)，轉(zhuǎn)柱、門架各測點(diǎn)所在截面及測點(diǎn)的變形值和應(yīng)力值，其截面號為圖3和圖4中的號碼（下同）。表3給出了起吊重量為60t時(shí)，起重臂各測點(diǎn)所在截面及測點(diǎn)的變形值和應(yīng)力值，其截面號為圖5中的號碼（下同）。表4給出了在起吊重量為31t且起重臂伸長至最大幅度時(shí)，轉(zhuǎn)柱、門架各測點(diǎn)所在截面及測點(diǎn)的變形值和應(yīng)力值。表中x表示水平縱向，y表示鉛垂方向。

表2 起吊60t重量時(shí)起重機(jī)轉(zhuǎn)柱、門架各截面變形值和應(yīng)力值

表3 起吊60t重量時(shí)起重機(jī)起重臂各截面變形值和應(yīng)力值

表4 起吊31t重量起重臂為最大伸長幅度時(shí)轉(zhuǎn)柱、門架各截面變形值和應(yīng)力值

轉(zhuǎn)柱的最大應(yīng)力發(fā)生在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)柱的位置附近，起重臂處于起吊重量為60t位置時(shí)，空載時(shí)發(fā)生在6-6截面的前側(cè)立柱測點(diǎn)，數(shù)值為64.09MPa，滿載時(shí)發(fā)生在7-7截面的后側(cè)立柱測點(diǎn)，數(shù)值為113.44MPa；起重臂處于起吊重量為31t位置時(shí)，空載時(shí)仍發(fā)生在6-6截面的前側(cè)立柱測點(diǎn)，數(shù)值為55.49MPa，滿載時(shí)仍發(fā)生在7-7截面的后側(cè)立柱測點(diǎn)，數(shù)值為130.59MPa；起重臂處于水平位置且空載時(shí)，最大應(yīng)力仍發(fā)生在6-6截面的前側(cè)立柱測點(diǎn)，數(shù)值為55.49MPa。最大值為130.59MPa，小于轉(zhuǎn)柱材料的許用應(yīng)力。

由表2、表4可知，在起吊位置時(shí)，不管起重機(jī)是否工作，其轉(zhuǎn)柱的最大變形位于轉(zhuǎn)柱最上部，而von Mises（屈服準(zhǔn)則）等效應(yīng)力最大出現(xiàn)在轉(zhuǎn)柱6、7截面測點(diǎn)。由表3可知，不管起重機(jī)是否工作，其起重臂上各截面撓度沿著x軸逐漸增大，但各截面上的von Mises等效應(yīng)力變化不大。

4 實(shí)測驗(yàn)證

參考有限元分析計(jì)算結(jié)果，選定應(yīng)力值較大的部件截面作為靜態(tài)應(yīng)力測試的布點(diǎn)位置，選取與有限元分析相同的載荷工況，對SDMQ1260/60E型門座起重機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變測試。測試采用BX120-5AA電阻應(yīng)變片（敏感柵尺寸5×2）、TST3828動(dòng)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的半橋接法，并采用4×0.3屏蔽電纜線、306G東方科卡數(shù)據(jù)采集儀、COMPAQ筆記本電腦、DASP數(shù)據(jù)處理軟件，測量布點(diǎn)位置的應(yīng)力應(yīng)變值初值和載荷工況下的應(yīng)變值×1e-6和應(yīng)力值（MPa）。測試結(jié)果如表5所示。

表5 應(yīng)力測試結(jié)果

兩種工況下的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在7-7截面后側(cè)立柱位置，最小變幅工況實(shí)測壓應(yīng)力-110.21MPa，疊加上自重應(yīng)力-11.11MPa后的總應(yīng)力為-121.32 MPa；最大變幅工況實(shí)測壓應(yīng)-125.25MPa，疊加上自重應(yīng)力-12.76MPa后的總應(yīng)力為-138.01MPa。現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果吻合較好。

5 結(jié)論

通過ANSYS建模對SDMQ1260/60E型門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，并與實(shí)際應(yīng)力測試結(jié)果比較，可以得出以下結(jié)論：

（1）通過比較有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，無論幅值位置還是大小均吻合較好。因此，在合理考慮起重機(jī)結(jié)構(gòu)使用情況和約束條件的前提下，有限元模型能夠較真實(shí)地反映起重機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)，為起重機(jī)安全生產(chǎn)和維修提供分析依據(jù)[4]。

（2）該門座起重機(jī)工作時(shí)的最大載荷應(yīng)力出現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)柱后側(cè)，其最大值小于材料的屈服極限。起重臂整體相當(dāng)于受壓桿，由自重引起少量彎曲，且不管起重機(jī)是否工作，沿起重臂各截面的應(yīng)力變化不大，最大應(yīng)值小于材料的屈服極限。有限元分析與現(xiàn)場測試結(jié)果均表明起重機(jī)在不利工況下的部件最大應(yīng)力均小于材料的屈服極限，載荷卸除后應(yīng)力值回至零位，說明載荷應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)無殘余應(yīng)力，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可以安全使用。

[1]王景波.四連桿式門座起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)研究[J].大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.

[2]王金諾,于蘭峰.起重運(yùn)輸機(jī)金屬結(jié)構(gòu)[M].北京：中國鐵道出版社，2002.

[3]張華民，李士林，張志斌，尹群，吳銘芳，嵇春艷.在役門座式起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析方法[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2009（5）.

[4]李拔周，徐長生.基于ANSYS的100t龍門起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（3）：12 -14.