基于Solid Works的橋式起重機橋架結構設計及分析

劉燦輝

（廣東聯(lián)塑科技實業(yè)有限公司，廣東 佛山 528318）

0 引 言

橋式起重機的橋架沿鋪設在兩側高架上的軌道縱向運行，起重小車沿鋪設在橋架上的軌道橫向運行，構成一矩形的工作范圍，可充分利用橋架下面的空間吊運物料，不受地面設備的阻礙。這種起重機廣泛用在室內(nèi)外倉庫、廠房、碼頭和露天貯料場等處。

工業(yè)中常見的是普通橋式起重機，其一般由起重小車、橋架運行機構、橋架金屬結構組成。其中橋架為整機的重要部件，橋架的起重量可達百噸，跨度可達60 m，因其高承載及大跨度的特征，故對其結構安全性提出很高要求。

SolidWorks 是一款廣泛應用于航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械等行業(yè)的三維設計軟件，該軟件除了可以進行產(chǎn)品三維結構設計外，還可以對產(chǎn)品進行一系列結構力學性能的仿真分析，對設計中可能出現(xiàn)的問題作出預測和改進，實現(xiàn)設計的自動化，從而加快產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高企業(yè)的市場競爭力。

1 橋架結構三維模型的建立

1.1 主要設計參數(shù)的確定

根據(jù)車間要求，該橋式起重機的主要用途為搬運大件的金屬物料，橋架的跨度為26.2 m，起吊物料的最大重量為15 t，車體的運行速度約為80 m/min，物料的起吊速度約為0.3 m/s。

1.2 橋架結構的設計

根據(jù)以上所提供的主要設計參數(shù)，利用SolidWorks軟件的三維及二維功能對橋架的結構進行設計，此處設計橋架為箱體結構，橋架箱體部位的長×寬×高為28 m×1.7 m×3.8 m，為了強化橋架的整體強度及剛度，在橋架箱體的側面焊有厚度為15 mm 的加強筋板，而其底部焊有工字型鋼。初始方案的基本尺寸確定后，就可以對橋架進行三維建模，本橋架結構在SolidWorks 進行三維建模時主要是用到拉伸及切除功能，其他有尖角的地方需作倒圓角處理，待橋架的三維模型建立完成后，就可以利用SolidWorks 的二維功能模塊直接把三維模型生成可用于生產(chǎn)的工程圖，該工程圖與三維模型是完全關聯(lián)，每次修改三維模型時，工程視圖都會自動更新，橋架的三維及二維模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 橋架三維模型

圖2 橋架二維模型

2 橋架結構的有限元分析

2.1 橋架材料特性

本橋架所采用的材料為普通碳素結構鋼Q235B，該材料的力學性能特性如表1 所示。

2.2 橋架有限元模型的建立

橋架有限元模型的建立有兩種方法：

1）通過手工劃分網(wǎng)格來建立有限元模型，即人工指定網(wǎng)格的最大及最小單元的尺寸大小。

2）采用軟件的自動網(wǎng)格劃分功能，讓系統(tǒng)根據(jù)橋架的整體尺寸來自動分配并生成網(wǎng)格，自動化分網(wǎng)格時有粗糙和良好之分，劃分時一般根據(jù)系統(tǒng)的默認設置。

本模型主要采用自動網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格后的橋架有限元模型如圖3 所示，從網(wǎng)格的細節(jié)圖表中（圖4）可以看出，該橋架有限元網(wǎng)格的最大單元為516.9 mm，最小單元為25.8 mm，節(jié)點的總數(shù)52 331 個，單元總數(shù)為27 991個，網(wǎng)格的其他相關參數(shù)均處于比較良好的狀態(tài)。

2.3 橋架結構的強度分析

根據(jù)設計要求，橋架所能承受的最大起吊重量為15 t，考慮設備運行時的動載荷及其他不穩(wěn)定因素的影響，取2 倍的安全系數(shù)，即在強度分析時，對橋架的承載最危險處輸入30 t 起吊重量的作用，所得到的受力及約束模型如圖5 所示，中間位置的箭頭表示30 t 的作用，兩端底部采用固支約束。

表1 Q235B 鋼力學性能

圖3 橋架有限元模型

圖4 橋架有限元網(wǎng)格細節(jié)圖表

圖5 橋架有限元模型受力及約束效果圖

圖6 橋架模型的強度應力云圖

通過計算分析后，從圖6 的橋架強度應力云圖可以看出，在30 t 起吊重量的作用下，橋架模型的最大應力為27 MPa，小于Q235B 鋼的屈服極限235 MPa，說明該橋架的結構強度較高，根據(jù)強度分析結果可以判定該橋架的強度滿足設計要求。

2.4 橋架結構的剛度分析

本橋架在設計時是選取A6 工作級別，根據(jù)《通用橋式起重機》國家標準，A6 工作級別橋架的靜態(tài)剛度要求為垂直靜撓度應不大于橋架的最大跨度的1/800。

通過有限元的剛度分析，從圖7 的橋架剛度云圖可以看出，在30 t 起吊重量力的作用下，橋架模型的最大撓度為1.8 mm，遠小于規(guī)范所規(guī)定的26 200/800=32.75 mm靜撓度許用值，所以可以判定橋架的整體剛度滿足設計要求，并且對橋架底部左端至右端位置進行探測，探測結果如圖8 所示，探測結果所顯示的位移值趨勢與實際撓度值趨于一致。

圖7 橋架模型的剛度變形云圖

圖8 橋架模型底部位移探測曲線圖

2.5 橋架結構的模態(tài)分析

在30 t 起吊重量的作用下，軟件分析得到橋架模型的5 階模態(tài)，每階模態(tài)的固有頻率如圖9 所示，一階模態(tài)的固有頻率為8.68 Hz，根據(jù)《通用橋式起重機》國家標準規(guī)定，當橋架最大承重位于跨中時，橋架的滿載自振頻率應大于2 Hz，故可以判斷該橋架的自振頻率符合國家設計規(guī)范要求，且從一階模態(tài)振型（圖10）可以看出，該橋架水平側面位置比較薄弱，這與橋架實際情況相符合。

2.6 橋架結構的屈曲穩(wěn)定性分析

橋式起重機在運輸過程中一旦失穩(wěn)，將會造成嚴重的安全事故，所以對其穩(wěn)定性分析是非常有必要的，而屈曲分析可以預測橋架可能存在的缺陷，并判定在滿載作用下橋架是否發(fā)生失穩(wěn)，通過分析可知，如圖11 所示，在滿載作用下，該橋架的載荷因子達到503.5，說明橋架結構在滿載時的穩(wěn)定性很高，不會發(fā)生失穩(wěn)的危險。

圖9 橋架模型各階模態(tài)頻率

圖10 橋架一階模態(tài)振型

圖11 橋架屈曲穩(wěn)定性分析效果圖

3 結 語

本文利用SolidWorks 軟件對橋式起重機的橋架進行設計及有限元分析，得出所設計的橋架方案完全符合國家安全要求，且部分性能參數(shù)還有很大的安全余量，若從經(jīng)濟性考慮，可對該橋架結構進一步的優(yōu)化。

以上所述，基于SolidWorks 軟件的設計方法同樣適用于其他機械產(chǎn)品的一體化設計，可有效縮短機械產(chǎn)品的設計周期并降低設計成本，對工程技術人員具有很高的實用及參考價值。

［1］ 王金諾，程文明.起重機設計手冊［M］.2 版：北京：中國鐵道工業(yè)出版社，2013.

［2］ 張忠將.SolidWorks2010 機械設計從入門到精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 陳超祥.SolidWorks 公司原版系列培訓教程M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［4］ 中國人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 14405-93通用橋式起重機［S］.北京：中國標準出版社，1994.

［5］ 曾文忠.基于SolidWorks 對機械零件結構的設計與應用［J］.制造業(yè)自動化，2011（10）:135-137.