5t-22.5m雙梁橋式起重機(jī)的有限元分析

厲樂樂

（浙江省特種設(shè)備檢驗研究院賽福特特種設(shè)備檢測有限公司，杭州 310015）

0 引言

橋式起重機(jī)是橫架在車間、倉庫和料場上空進(jìn)行物體吊裝的起重設(shè)備，是使用范圍最廣和數(shù)量最多的起重機(jī)械。采用傳統(tǒng)的力學(xué)解析方法對橋式起重機(jī)的各個截面進(jìn)行應(yīng)力狀態(tài)分析時，計算公式繁雜且很難做到精確。在合理簡化后的橋式起重機(jī)三維模型基礎(chǔ)上，采用ANSYS 軟件進(jìn)行有限元分析，可以便捷和相對精確地計算出各個截面的應(yīng)力分布及變形量。

本文介紹了5 t-22.5 m 雙梁橋式起重機(jī)的有限元建模，靜態(tài)強(qiáng)度、靜態(tài)剛度的校核計算及模態(tài)分析。

1 有限元建模

該雙梁橋式起重機(jī)的額定起重量為5 t，工作級別為A5，主梁跨度為22.5 m，起升小車的輪距為3.5 m，端梁驅(qū)動機(jī)構(gòu)的輪距為5.5 m，起升小車及吊鉤組件重量約為3 t。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1 所示。

1.1 模型的簡化假設(shè)

1）三維建模時，取消了對計算結(jié)果影響可以忽略不計的倒角和倒圓角。

2）主梁翼緣板和腹板上的加強(qiáng)筋，主要作用是為了提高局部穩(wěn)定性，對主梁整體的靜態(tài)剛度和靜態(tài)強(qiáng)度影響很小［1］，因此在有限元模型中可以省略，以提高建模效率。

3）主梁上的小車軌道對靜態(tài)剛度和靜態(tài)強(qiáng)度影響比較大［1］，因此在有限元模型中，必須保留小車軌道。

4）取消端梁上的驅(qū)動機(jī)構(gòu)不影響主梁和端梁的強(qiáng)度分析結(jié)果。用梁單元beam4組成的載荷傘模擬驅(qū)動輪銷軸。

5）起重機(jī)的額定起重量及起升機(jī)構(gòu)的重量直接施加在小車軌道的節(jié)點上。

圖1 雙梁橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

6）假設(shè)每個小車車輪作用在主梁上的載荷大小相等。

1.2 主要建模過程

首先使用SolidWorks 軟件建立該雙梁橋式起重機(jī)的三維實體模型，然后將三維模型保存為x_t 的文件格式，接著導(dǎo)入Workbench 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最后將有限元模型導(dǎo)入ANSYS Mechanical 中進(jìn)行邊界條件的設(shè)置和求解計算。

由圖1 可知：雙梁橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)和負(fù)載具有對稱性，為提高計算速度，在靜態(tài)強(qiáng)度計算和靜態(tài)剛度計算時，只需建立一半對稱結(jié)構(gòu)的有限元模型，如圖2 所示。

圖2 靜態(tài)強(qiáng)度分析有限元模型

1.3 單元類型

目前一些工程設(shè)計人員使用殼單元shell63［2-3］和梁單元Beam44［1］建立橋式起重機(jī)的有限元模型。雖然使用殼單元shell63、梁單元Beam44 建立的有限元模型，相對節(jié)點數(shù)少，求解速度快，對計算機(jī)性能要求低，但隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用三維實體單元Solid186 和Solid187 建立橋式起重機(jī)有限元模型也是一種發(fā)展趨勢。

本文采用Solid186 和Solid187 單元建立有限元模型。在Workbench 中選擇六面體占主導(dǎo)的網(wǎng)格劃分方式（Hex Dominant Method），進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.4 邊界條件的設(shè)定

1）在端梁上模擬驅(qū)動輪銷軸的梁單元beam4 交點處添加X、Y、Z 三個方向的平移約束，即端梁通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)的車輪與行走軌道鉸接。

2）在端梁中間的對稱截面上添加symmetry B.C.對稱約束。

3）設(shè)置重力加速度值g=9.8m/s2。

2 靜力學(xué)分析

2.1 工況1：起升小車位于主梁中間

該雙梁橋式起重機(jī)的起升狀態(tài)級別為HC2，穩(wěn)定起升速度為8 m/min，則起升動載系數(shù)為1.15。計算可得每個小車車輪承受的載荷為21 437 N。

當(dāng)小車位于主梁跨中時，得到如圖3 和圖4 所示的Von Mises 等效應(yīng)力云圖及變形圖。

圖3 小車位于主梁跨中時的等效應(yīng)力

圖4 小車位于主梁跨中時的變形圖

2.2 工況2：起升小車位于主梁端部

當(dāng)小車位于主梁端部時，得到如圖5 和圖6 所示的Von Mises 等效應(yīng)力云圖及變形圖。

圖5 小車位于主梁端部時的等效應(yīng)力

圖6 小車位于主梁端部時的變形圖

由圖3 可知：當(dāng)小車位于主梁跨中時，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁跨中的翼緣板上。由圖5 可知：當(dāng)小車位于主梁端面時，最大應(yīng)力點出現(xiàn)在端梁上。

由表1 可知：當(dāng)滿載起升小車位于主梁跨中時，主梁最大撓度為6.5 mm，符合GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》對起重機(jī)靜剛度的要求，即fi≤S/1 000，其中fi為起重機(jī)的靜剛度，S 為起重機(jī)的跨度。對于靜態(tài)強(qiáng)度，主梁與端梁上的最大Von Mises 等效應(yīng)力為39.4 MPa，遠(yuǎn)小于主梁與端梁材料Q235B 的屈服強(qiáng)度，滿足設(shè)計要求。

3 模態(tài)分析

橋式起重機(jī)在結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)中，低階模態(tài)占主導(dǎo)地位，高階模態(tài)的影響可以忽略不計［3］，因此在模態(tài)分析時，取前二階振型及固有頻率。由于symmetry B.C.對稱約束可能會造成反對稱模態(tài)振型的丟失，因此在模態(tài)分析時，將模型鏡像成完整模型后，合并對稱面節(jié)點，取消symmetry B.C.對稱約束。模態(tài)分析結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，該雙梁橋式起重機(jī)的第一階固有頻率f=4.68 Hz，符合GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》對起重機(jī)動剛度的要求，即滿足自振固有頻率不小于2 Hz。

圖7 和圖8 為前二階模態(tài)振型。

表1 雙梁橋式起重機(jī)靜力學(xué)分析結(jié)果

表2 前二階固有頻率Hz

圖7 第一階模態(tài)振型

圖8 第二階模態(tài)振型

4 結(jié)論

本文采用ANSYS 軟件對5 t-22.5 m 雙梁橋式起重機(jī)進(jìn)行了有限元分析，得到如下結(jié)論：該起重機(jī)的靜態(tài)強(qiáng)度、靜態(tài)剛度和固有頻率均達(dá)到GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計規(guī)范》中的相應(yīng)要求，為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

［1］王小慧，程文明，楊春松，等.起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析的模型處理技術(shù)［J］.起重運輸機(jī)械，2006（9）：32-34.

［2］陶元芳，薛孝磊，丁振興，等.大噸位橋式起重機(jī)主梁跨端變截面處有限元分析［J］.中國工程機(jī)械學(xué)報，2012（6）：180-185.

［3］張學(xué)良，王家營，連晉華，等.基于ANSYS 的橋式起重機(jī)主梁模態(tài)分析［J］.起重運輸機(jī)械，2007（11）：56-58.