基于ANSYS的門座起重機門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

蘇文力

(上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

伴隨著經(jīng)濟全球化趨勢的不斷加強，我國貿(mào)易總量不斷提升，尤其是以港口為重要節(jié)點的國際進出口貿(mào)易繁榮發(fā)展．保證港口的正常高效運行，成為保證我國經(jīng)濟持續(xù)較快增長的前提[1]．

某港口使用的MQ1625門座式起重機在使用過程中發(fā)現(xiàn)門架橫梁和端梁連接處有裂紋，影響到該機的正常使用．筆者基于ANSYS有限元理論基礎(chǔ)，對MQ1625門座起重機在臂架處于最大幅度起吊額定載荷工況下，對門架結(jié)構(gòu)進行靜力分析，通過對真實情況的模擬計算出門架的強度、剛度的分布，在此基礎(chǔ)上，以減小門架橫梁端梁連接處應(yīng)力為目標(biāo)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化．

1 結(jié)構(gòu)載荷計算

通過對多種工況比較，得出的結(jié)論是：當(dāng)門座起重機起吊額定載荷，旋轉(zhuǎn)和變幅機構(gòu)緊急制動，考慮工作狀態(tài)最大風(fēng)載荷，臂架處于最大幅度且平行于軌道方向時，門架橫梁和端梁連接處處于最危險狀況，MQ1625整機結(jié)構(gòu)示意圖見圖1．

為了方便分析及減少不必要的工作量，將作用于整機的外載荷折算到門架部分，僅選取門架部分進行分析(圖2)．

起重機最大幅度起吊額定載荷，經(jīng)過折算，作用于門架圓筒中心的載荷為：Fx≈106 kN，F(xiàn)y≈1 084 kN，Mx≈8 000 kN·m，My≈1 450 kN·m．

圖 1 MQ1625整機結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 MQ1625門架結(jié)構(gòu)受力示意圖

2 門架結(jié)構(gòu)有限元分析

為了提高門架橫梁的局部穩(wěn)定性，橫梁中設(shè)置有縱向加強肋和橫向加強筋，縱向加強筋對橫梁的強度剛度影響較小，建模時將其忽略．橫向加強肋在實際焊接中多為非連續(xù)焊接，經(jīng)多次建模計算比較，建模時僅設(shè)置大隔板即可．

2.1 在前處理中建立有限元模型

利用ANSYS的參數(shù)化建模技術(shù)建立門座起重機的有限元模型[2]．單元類型選用板單元shell63，板厚通過定義單元實常數(shù)來設(shè)定．根據(jù)MQ1625門座式起重機設(shè)計圖紙要求，門架材料為Q235鋼，彈性模量Ex=2.06e11，泊松比μ=0.304，密度ρ=7 800 kg/m3．建模過程采用自下而上的方式，建立門架有限元模型并進行網(wǎng)格劃分．完成后的有限元模型如圖3所示．

圖 3 MQ1625門架有限元模型

門架結(jié)構(gòu)有限元模型是在不影響計算精度前提下的簡化模型，模型的重量小于門架的實際重量，在施加載荷時需要對門架自身重量進行補償．目前多采用以下補償方法：質(zhì)量補償、密度補償和重力加速度補償．門架模型采用密度補償法．

2.2 在求解器中加載和求解[3]

2.2.1定義分析類型和施加約束分析類型為static，沿軌道方向端梁后兩個支點施加除沿垂直軌道方向的轉(zhuǎn)動約束外的其他約束，前兩個支點施加除沿軌道移動方向的移動約束以及沿垂直軌道方向的轉(zhuǎn)動約束外的其他約束．

2.2.2施加載荷載荷施加在橫梁圓筒中間的節(jié)點上．采用MASS21單元劃分關(guān)鍵點，然后將劃分后的節(jié)點和圓筒上的節(jié)點耦合形成剛性平面，使得施加在節(jié)點上的力傳遞到門架上．

2.2.3施加重力載荷施加Y方向上的重力加速度9.8 m/s2．所有載荷加上后，執(zhí)行求解運算．

2.3 查看結(jié)果

門架應(yīng)力分布云圖如圖4所示．

圖 4 MQ1625門架應(yīng)力應(yīng)變分析

從圖4中可以看出，主梁的最大應(yīng)力在橫梁和端梁的連接位置，最大應(yīng)力值為167.632 MPa．與實際過程中門架出現(xiàn)裂紋的位置一致．

3 門架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)橫梁和端梁連接處應(yīng)力值較大的特點，依據(jù)材料力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，結(jié)合ANSYS有限元分析軟件和cad軟件，對門架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，在門架橫梁和端梁的連接位置增加鋼板來減少原設(shè)計中的應(yīng)力集中現(xiàn)象．修改設(shè)計后的門架結(jié)構(gòu)見圖5．

圖 5 MQ1625門架優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)修改后的門架系統(tǒng)建立新的門架結(jié)構(gòu)．

圖 6 MQ1625門架優(yōu)化設(shè)計有限元模型

對優(yōu)化后的門架進行ANSYS分析，加載求解，查看應(yīng)力結(jié)果如圖7．

圖 7 MQ1625門架優(yōu)化設(shè)計分析結(jié)果

對于門座起重機，根據(jù)《起重機設(shè)計規(guī)范》，應(yīng)按第Ⅱ類載荷組合進行強度計算，即起重機正常工作條件下的最大載荷[4-6]．彈塑性材料許用應(yīng)力為σ=σs/ns，其中σs為材料的屈服極限，ns為材料的安全系數(shù)(第二類載荷組合時取ns=1.4)．門架結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼材，許用應(yīng)力σ=167.857 MPa．MQ1625門座起重機門架結(jié)構(gòu)的最大合成應(yīng)力為167.632 MPa，接近材料許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)不安全．優(yōu)化設(shè)計后的門架結(jié)構(gòu)的最大合成應(yīng)力為140.195 MPa，結(jié)構(gòu)滿足強度要求．

從門架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖看出，優(yōu)化設(shè)計后的門架結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化平緩，各點沒有產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，故結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計合理．

4 結(jié)論

本文通過對MQ1625門座起重機門架結(jié)構(gòu)的分析，建立了由板單元shell63組成的有限元模型，得出了該結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力、變形的特征，并且進行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，經(jīng)過ANSYS分析得出，優(yōu)化后的門架結(jié)構(gòu)更加安全合理，為該類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計和改造提供了參考．

[參考文獻]

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