起重機基于ANSYS的設計驗證性分析

陸善貴 潘曉光 桂林市特種設備監督檢驗所

起重機基于ANSYS的設計驗證性分析

陸善貴 潘曉光 桂林市特種設備監督檢驗所

為了保障起重機的安全，在設計之后便會對其設計進行計算驗證，特別是其金屬結構和整機的性能。本文以橋式起重機為分析目標，為了解決計算上的不足和增高精確性，用國際領先且在工程領域最為廣泛的ANSYS軟件來進行計算。用該軟件的參數化設計來建立起重機的三維模型。通過在不同的工況下載荷的施加，仿真出在該載荷下的應力應變值，并與設計的目標進行對比，通過驗證在不同的工況下的載荷組合、強度、靜剛度和支腿的穩定等多項指標來分析判斷設計是否合理。為設計人員提供參考依據。

1 起重機設計主要參數

1.1 材料參數

材料選擇為Q-2 3 5 A，這是一種在起重機制造領域常用牌號，在常溫下，其彈性模量為2.16×105MPa,屈服極限為235MPa,松泊比為0.3，質量密度為7800kg/m3。

1.2 整機工作屬性

主要工作的屬性見表1。

表1 起重機工作屬性

2 有限元思想及ANSYS軟件

有限元的基本思想是為把復雜的問題簡單化，任何結構體都可以看作是由許多細小的單元組成，這些細小的單元之間通過節點連接，所以在有限元分析過程中，這些結構體并不是由整體組成，而是由這些細小的單元組成，將這些單元組成一系列的方程和施加一定的約束后求解，便可以得到理論上的分析值。

3 邊界約束條件

整體約束情況如圖1所示與見表2。

圖1 橋式起重機簡化圖

表2 約束點及約束方位明細表

ROTX,ROTY,ROTZ： 繞 x,y,z 軸的回轉自由度；

1： 約束；0：自由；

圖1中表明了大車的軌道方向和柔性鋼性支腿的分布情況，由于對橋式起重機的整體進行分析，但支點不包括在y和z軸上的變形，所以對其4個支點的y軸和z軸進行約束，對其在x，y，z軸上的回轉自由度不進行約束。

4 模型的建立

通過參數化設計進行建模時，為了更加快速的建立，因為小車和橋架是由鋼板和型鋼焊接而成，本文采用的是分塊化建模方法，建立模型是將實體通過參數化表達為計算機能識別的虛擬物體，所以模型的建立對分析結果至關重要。而分析的目的是為了計算出相應的受力，只要對其進行正確的設置即可由計算機來完成。為了簡化本模型，在建模時小車和橋架按照正確的尺寸進行建模，對于其小車上的零部件則會以質量點來代替。

橋架和小車上的主要鋼板或型鋼以單元shell63來模擬鋼板，以單元BEAM189來模擬型鋼 。用單元MCP184來模擬支撐點的約束，對于小車上的零部件，如減速機，制動器等則是以MASS21來代替。

其機構的單元劃分見表3。

表3 單元劃分明細表

5 載荷組合

作用在橋式起重機上的載荷可以總體的分為自重載荷，工作載荷，外界附加載荷(運行沖擊載荷，風載荷，慣性載荷等)。選擇這幾種常規載荷的組合模式，在不同的工況通過ANSYS來計算其應力分布值和剛度值，以此來辨別設計是否達標。載荷組合見表4。

表4 工況組合明細表

6 計算工況及求解

6.1 工況1

載荷組合 結構自重和起升動載沖擊

1）A：應力計算結果見表5。

表5 工況1應力計算結果

圖2 工況1整機應力云圖和桁架應力云圖（小車在位置2時）

2）剛度云圖如圖3所示，計算結果見表6。

表6 工況1剛度計算結果

圖3 工況1剛度云圖(小車在位置2時)

6.2 工況2

載荷組合：運行沖擊和水平側向力,風載和慣性力1）應力云圖如圖4所示，計算結果見表7。

表7 工況2應力計算結果表

圖4 工況2應力計算云圖

2）剛度計算云圖如表5所示，剛度計算結果見表8。

表8 工況2剛度計算結果表

圖5 工況2剛度計算圖

6.3 工況3

載荷組合 結構自重和非工作風載

1）應力云圖如圖6所示，計算結果見表9。

表9 工況3應力計算結果表

圖6 工況3應力計算云圖

2）剛度云圖如圖7所示，計算結果見表10。

表10 工況3剛度計算結果表

圖7 工況3剛度計算云圖

小結：工況1、工況2、工況3的最大應力均出現在主梁上弦桿跨中部，最大應力值分別為123MPa、107MPa、103MPa，小于Q235許用應力值176MPa，最大撓度值分別為15.53mm、15.77mm和3.07mm，小于許用撓度值47mm，強度剛度均滿足設計要求。

7 支腿穩定性計算

7.1 柔性支腿

由金屬結構施工圖紙可知，柔性支腿主肢為軸心受壓構件，其幾何特性參數如下：

柔性支腿主肢材料：Q235（取σs=235MPa）

柔性支腿主肢計算長度：l=10000mm

柔性支腿主肢截面面積：A=4736mm2

柔性支腿主肢截面慣性距：I=6.9×107mm4

由λ2＜λ＜λ1可以判斷柔性腿為中等柔度壓桿，因此可以用直線公式σcr＝a-bλ計算臨界應力σcr：

a、b--與材料性質有關的常數。

σcr＝a-bλ＝304-1.12×87.7=205.7MPa

根據ANSYS 模型輸出數據可知，在工況2，小車位置位于柔性腿側極限位置時，主肢承受的軸向壓力和彎矩分別為：F＝1.31×105N。根據公式σ＝≤φ[σ]進行校核，由長細比查表得φ＝0.575：

7.2 剛性支腿主肢

由金屬結構施工圖紙可知，剛性腿主肢為壓彎構件，其幾何特性參數如下：

剛腿支腿主肢材料：Q235（取σs=235MPa）

剛腿支腿主肢計算長度：l=14000mm

剛腿支腿主肢截面面積：A=4736mm2

剛腿支腿主肢截面慣性距：I=6.8×107mm4

根據ANSYS 模型輸出數據可知，在工況2，小車位置位于腿側極限。位置時，主肢承受的軸向壓力和彎矩分別為：F＝1.31×105N，M＝1.03×107N·mm。

進行校核

式中：F——作用在支腿上的壓力；

Mf——作用在支腿上的彎矩；

I——為支腿的截面慣性距；

W——構件長細比的失穩系數（查表得W=1.61）。

因此，

8 總結

本文基于ANSYS的虛擬仿真計算，包括對傳統計算的應用，成功的實現了較為完整的起重機整體結構分析和計算。起重模型有了必要的簡化，并不是完全與實物等價，其分析方法只能作為參考。通過計算機的虛擬仿真計算和傳統計算結果來看，本起重機的金屬結構靜強度、靜剛度、支腿的穩定性均滿足要求。對起重機械的設計驗證性分析有較好的借鑒作用。

1 陳瑋璋.起重機械金屬結構.北京：人民交通出版社,1998

2 邵蘊秋.ANSYS 10.0有限元分析實例導航.北京：中國鐵道出版社,2004

2013－08－20）