基于有限元的門座起重機結構強度分析及應力測試*

陳敏 黃國健 吳粵平 王強 劉柏清 王新華

（1.廣州市特種機電設備檢測研究院研發中心 2.廣州港股份有限公司新港港務分公司）

0 引言

世界經濟和國際貿易的快速發展，促進了港口貨物吞吐量的不斷增長，使港口裝卸量日益增加，服務于港口裝卸的門座式起重機已成為不可或缺的重要設備[1-2]。

門座式起重機是碼頭專用的機械設備，進行裝卸和搬運作業，它具有高效的作業能力、較低的建設費用、機動性和通用性強等優點[3-4]。門座起重機由于長期處于露天、腐蝕性等較為惡劣的環境中，且使用頻率和工作強度較高，作為主要承載的金屬結構部件，容易產生疲勞裂紋、腐蝕等缺陷，在很大程度上影響結構的力學性能，危及起重機使用安全[5-6]。對服役時間超過15年的起重機，國家質檢總局提出需對其進行安全評估。因此，分析門座起重機的金屬結構強度，對其進行結構安全性評估顯得十分必要[7]。

近年，隨著現代測試技術和計算機的發展，國內外對起重機械金屬結構進行安全評估的研究也越來越多，基于模糊神經網絡的安全評價方法已經在各大高校和研究機構中展開研究[8-9]，運用最新的測試技術，對起重機械的安全評價采取應力應變測試技術也已有了廣泛應用[10-12]。本文利用有限元分析和應力測試相結合的方法，發揮有限元分析建模計算方便快捷的優點，同時與實測數據進行比對，可以全面、詳細地掌握長期服役的起重機金屬結構的應力分布情況，輔助起重機安全評估工作，確保其運行的安全可靠。

1 MQ1030門座起重機概況

本文以MQ1030門座式起重機為研究對象，該起重機自1985年服役至今，其實物圖如圖1所示，具體技術參數如表1所示。

圖1 MQ1030門座起重機實物圖

表1 MQ1030門座起重機技術參數

整機金屬結構大體可分為上部旋轉部分和下部固定部分。旋轉部分包括四連桿組合臂架系統、人字架系統、平衡梁系統、轉臺結構、轉柱結構；固定部分主要由門架結構和運行機構組成。整機金屬結構的型式均為薄壁箱型結構，所用材料為Q235鋼。由于該機服役年限較長，結構存在一定程度的損傷，金屬結構的各部位鋼板厚度均存在不同程度的折減，計算時鋼板厚度沒有采用設計時的數據，而是通過實際測量得到。

2 有限元模型的建立

2.1 單元網格

根據該起重機的結構特性和受力特點，可把其主要金屬結構簡化成空間桿系結構，利用ANSYS有限元分析軟件對起重機進行建模計算。建模過程中，采用3種單元類型：

1) 主結構臂架、象鼻梁、大拉桿、人字架、平衡梁、轉臺、轉柱以及門架均采用beam188梁單元，具有拉伸、壓縮、扭轉、彎曲能力，并可考慮剪切變形的影響；

2) 小拉桿，象鼻梁拉桿以及門架連桿的模擬采用3維桿單元link180；

3) 配重、滑輪組以及各個機構可視為集中質量，采用mass21質量單元。

該起重機的有限元模型如圖2所示。

圖2 門座起重機有限元模型

2.2 材料屬性

該 MQ1030門座式起重機的金屬結構材料為Q235碳素結構鋼，密度為7.85×10-6kg/mm3，屈服極限為235 MPa，材料的彈性模量為2.1×105MPa，泊松比取0.3。

2.3 邊界條件

該門座起重機門架結構的底部與基礎采用剛性連接，即均對門架四個支腿施加6個方向的自由度。臂架與象鼻梁及轉臺、大拉桿與象鼻梁及人字架、小拉桿與臂架及平衡梁、人字架與平衡梁之間的連接均為鉸接，在有限元模型中均采用耦合連接點處的節點自由度實現，均可繞Z軸轉動，因此施加UX、UY、UZ、ROTX和ROTY 5個方向的約束。

2.4 載荷組合

根據起重機安全評估的實際需要，選取起重機最不利的運行工況進行計算分析。針對該MQ1030門座起重機，其最不利的工況為起重機起吊額定載荷10 t，位于最大工作幅度30 m處，分析起重機在該位置時的應力、應變分布情況。在該位置的工況又分為有風和無風兩種情況，門座起重機載荷組合表見表2。

表2 門座起重機載荷組合表

3 計算結果與分析

通過ANSYS有限元計算，得到該起重機在有風和無風2種載荷組合下，金屬結構所受到的最大等效應力：有風工況下出現在臂架結構上，為145 MPa，如圖3所示；無風工況下出現在象鼻梁的拉桿上，為119.8 MPa，如圖4所示。

從圖3和圖4可知，起重機整體應力并不大，應力值一般在100 MPa以下，應力較集中的位置出現在臂架和象鼻梁的拉桿上。由于該起重機服役年限較長，并且在模型簡化過程中部分加強筋并未考慮，故有限元計算結果最大應力要比實際應力大。

圖3 OW1工況整機等效應力云圖

圖4 無風工況整機等效應力云圖

4 與實測數據比較

根據有限元計算的結果，選取等效應力較大的位置截面作為應力測試的測點位置，再依據評估需求，設定不同的測試工況，其中與有限元計算相符的載荷工況如表3所示。對MQ1030門座起重機進行現場應力測試，測試結果如表4、圖5所示。

表3 應力測試工況表

由測試結果可知，MQ1030起重機在測試工況下最大的應力值出現在象鼻梁的拉桿上，為76.09 MPa，其余較大的應力值出現在臂架以及轉柱上，分別為65.6 MPa和58.3 MPa，其它測點的應力值相對較小。現場實測的應力值由于不考慮起重機金屬結構的自重應力，且有限元計算時部分加勁肋采取簡化處理，因此實際測試結果比有限元計算值低，但有限元分析與現場測試結果二者對金屬結構總體應力分布趨勢是一致的。

表4 各測點應力測試結果

圖5 通道應力數據極值圖

5 結語

通過ANSYS軟件對MQ1030門座起重機金屬結構建模計算，并與實際應力測試結果比較，可以得出：

1) 通過比較有限元計算結果與現場應力實測結果，二者應力值的分布趨勢較為吻合，驗證了有限元計算能夠較真實地反映起重機金屬機構實際的受力情況；

2) 通過有限元計算得到該門座起重機起吊額定載荷時的最大等效應力出現在臂架下翼緣板受壓側，其最大值為145 MPa，其次為象鼻梁前拉桿處，其應力值為119.8 MPa，都在材料的許用應力范圍內。不考慮自重應力的情況下，對起重機的應力實測結果最大值為76.1 MPa，也在材料的許用應力范圍內。有限元分析與現場測試結果均表明，該起重機在不利工況下的結構所受最大應力均小于材料的許用應力，起重機金屬結構可以安全使用。

[1]黃陳娣.門座式起重機的現狀以及發展趨勢[J].科技傳播,2012,6(1):57-58.

[2]武良成,鄭宇劼.中國集裝箱港口競爭力研究[M].北京:中國經濟出版社, 2009.

[3]蔣國仁.港口起重機械[M].大連:大連海事出版社,1995.

[4]陳瑋璋,顧迪民.起重機械金屬結構[M].北京:人民交通出版社,1988.

[5]黃海.港口起重機金屬結構安全性評價方法研究[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[6]張玉.港口門座起重機安全性評價方法研究[J].中國水運,2012(6):34-35.

[7]GB6067.1-2010.起重機械安全規程[S].中國標準出版社,2011.

[8]石萬祥.港口門座起重機故障分析及振動監測技術應用研究[D].武漢:武漢理工大學,2002.

[9]何宇東.基于神經網絡的起重機械安全評價方法研究[D].南昌:南昌大學,2012.

[10]黃國健.在役門座式起重機應力測試技術探討[J].自動化與信息工程,2011,32(6):29-31.

[11]Yu Yang, Zhao Zhenlian.Research and design of tower crane condition monitoring and fault diagnosis system[C]. 2010 International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence, 2010(1):778-784.

[12]Sun Guangfu, Liu Jie. Dynamic responses of hydraulic crane during luffing motion[J].Mechanism and Machine Theory,2006,41(11):1273-1288.