基于ANSYSWorkbench的橋式起重機(jī)小車架有限元分析

范開英， 沈蘭華

（山東豐匯設(shè)備技術(shù)有限公司，濟(jì)南250200）

0 引言

小車架是橋式起重機(jī)的重要承載部件，其強(qiáng)度和剛度對(duì)整機(jī)的可靠性、穩(wěn)定性及安全性的影響很大，它不僅要支撐主、副起升卷?yè)P(yáng)機(jī)，還要實(shí)現(xiàn)在橋架主梁上的橫向運(yùn)行，承受起升和運(yùn)行中的動(dòng)載荷，其設(shè)計(jì)水平將直接影響整個(gè)起重機(jī)的使用性能。在傳統(tǒng)橋式起重機(jī)的小車架設(shè)計(jì)中，考慮車輪與軌道之間的接觸約束不強(qiáng)，端梁在軌道和垂直軌道方向都容易發(fā)生小角度自由變形，通常為提高設(shè)計(jì)效率而將此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁考慮。小車架在實(shí)際制作時(shí)，中間連系梁焊接固定在端梁上，不僅會(huì)給端梁帶來(lái)跨中豎直載荷，同時(shí)也會(huì)對(duì)端梁產(chǎn)生較大的附加彎矩和剪切應(yīng)力。由于連系梁與端梁慣性矩之比不同，筋板加強(qiáng)后各自的約束條件難以界定，變形協(xié)調(diào)關(guān)系比較復(fù)雜，應(yīng)力分布可以預(yù)測(cè)但不能精確計(jì)算。手工簡(jiǎn)化計(jì)算會(huì)有較大的誤差，不符合精細(xì)化要求，對(duì)局部構(gòu)造改變時(shí)沒(méi)有設(shè)計(jì)理論依據(jù)。本文以某項(xiàng)目的QD300t橋式起重機(jī)的小車架為研究對(duì)象，以大型有限元分析軟件ANSYS Workbench為平臺(tái)，用有限元的方法對(duì)通用橋式起重機(jī)的小車架進(jìn)行了靜力學(xué)性能分析，分析結(jié)果較為精確地反映了該結(jié)構(gòu)的整體性能，提高了小車架的設(shè)計(jì)水平，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)、節(jié)省材料用量提供了有力依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該小車架整體采用焊接形式，由主梁、次梁、中間連系梁和端梁組成，由于安裝和構(gòu)造的要求，縱橫交錯(cuò)筋板結(jié)構(gòu)居多，模型比較復(fù)雜。該小車架端梁兩端與車輪組連接，在橋架主結(jié)構(gòu)的軌道上行走，車輪踏面比軌道寬，軌道對(duì)車輪除摩擦外無(wú)固定約束；主、副起升卷?yè)P(yáng)機(jī)經(jīng)由軸承座底架、減速機(jī)底座、制動(dòng)器底座、電機(jī)底座，通過(guò)螺栓固定于小車架上平面，主、副起升定滑輪組及平衡梁安裝于小車架主梁和次梁的中間連系梁位置，其自重載荷和工作載荷通過(guò)各自連接面?zhèn)鬟f給小車架，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 受力分析

2.1 自重載荷

自重載荷包括小車架自身重量，其上所承載的起升卷?yè)P(yáng)機(jī)、定滑輪組、平衡梁等重量，考慮沖擊影響，自重載荷應(yīng)乘以起升沖擊系數(shù)φ1（此處取1.1），其中小車架金屬結(jié)構(gòu)自重為均布載荷，用重力加速度值實(shí)現(xiàn)，其上承載的其它部分重量，換算到小車架上對(duì)應(yīng)的底座位置上。小車架所用鋼材為Q345B，屈服強(qiáng)度σs=345 MPa，彈性模量E=210 GPa，泊松比 ν=0.3，密度 ρ=7 850 kg/m3。

圖1 小車架三維模型

2.2 起升載荷

起重機(jī)小車滿載吊重300 t，考慮動(dòng)載效應(yīng)，乘以動(dòng)載系數(shù)φ2（取1.1），起升載荷根據(jù)繞繩方式按比例分配到卷?yè)P(yáng)機(jī)、定滑輪組和平衡梁的底座上。

2.3 水平慣性載荷

按GB3811規(guī)范要求，水平慣性載荷分別由大車制動(dòng)和小車制動(dòng)情況下產(chǎn)生，起重機(jī)小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)啟（制）動(dòng)時(shí)，其自身質(zhì)量以及起升質(zhì)量產(chǎn)生水平慣性力，按規(guī)范要求，取該質(zhì)量與運(yùn)行加速度乘積的倍數(shù)（此時(shí)取1.5）計(jì)算，但不大于主動(dòng)車輪與軌道之間的黏著力，用來(lái)考慮起重機(jī)驅(qū)動(dòng)力突變時(shí)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)［1］。

3 有限元模型建立

利用三維軟件SolidWorks和ANSYS Workbench良好的接口關(guān)系，首先在SolidWorks中建立三維模型。在使用工程圖紙三維模型時(shí)，為重點(diǎn)突出主要構(gòu)件的應(yīng)力和變形情況，對(duì)安裝使用的螺栓孔進(jìn)行壓縮；為避免應(yīng)力集中而影響整體計(jì)算效果，將銳角筋板做鈍化處理，使網(wǎng)格更加均勻；加載前將受力部位提前用分割線加以劃分，以使載荷方位更加精確。模型前處理后，從SolidWorks的兼容分析模塊鏈接啟動(dòng)ANSYS Workbench。選用Static Structural類分析模型，在model子模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分時(shí)，為保證計(jì)算的精度，結(jié)合該小車架整體尺寸定義單元大小，然后對(duì)需要重點(diǎn)關(guān)注的部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，使小車架網(wǎng)格劃分后，既滿足結(jié)果精度要求，又不至于使計(jì)算量過(guò)大。同時(shí),該小車架的實(shí)體模型與SolidWorks模型保持關(guān)聯(lián),對(duì)結(jié)構(gòu)需要修改時(shí),只需在SolidWorks中修改，在ANSYS Workbench中更新即可。該小車架模型共劃分單元數(shù)106 434個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)202 070個(gè)，最終有限元模型如圖2所示。

4 有限元靜力分析

4.1 載荷及邊界條件

對(duì)劃分好網(wǎng)格的小車架模型施加載荷,通過(guò)用實(shí)際重量和模型重量比值修正重力加速度值的方法實(shí)現(xiàn)小車自重的加載，按照受力分析中的描述在各個(gè)底座分割面域的所有節(jié)點(diǎn)施加集中載荷。施加邊界條件和約束，該小車架由4組臺(tái)車通過(guò)連接軸支撐，將此處軸孔位置的所有節(jié)點(diǎn)加圓柱面約束，只保留繞軸線方向的旋轉(zhuǎn)自由度。

圖2 小車架有限元模型

4.2 結(jié)果分析

在結(jié)果文件中添加主應(yīng)力云圖、變形云圖，通過(guò)ANSYS Workbench求解模塊計(jì)算分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。由圖示結(jié)果可知，最大應(yīng)力分布于小車架主梁的中間位置。次梁和端梁應(yīng)力較小，可以進(jìn)一步優(yōu)化，減小整機(jī)重量。另外，端梁臺(tái)車孔上部筋板處有局部的應(yīng)力集中，需要適當(dāng)調(diào)整筋板結(jié)構(gòu)。最大變形量位于主梁中部，垂直靜剛度和水平靜剛度均在規(guī)范的許可范圍內(nèi)，所以整機(jī)強(qiáng)度和剛度均滿足工作要求。

圖3 應(yīng)力云圖

圖4 變形云圖

5結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)QD300t橋式起重機(jī)小車架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況進(jìn)行分析，并利用ANSYS Workbench平臺(tái)建立該車架的有限元模型，進(jìn)而分析了該小車架的靜力學(xué)特性。分析結(jié)果為：

1）應(yīng)力云圖表明，小車架整體應(yīng)力不超過(guò)屈服極限，處于材料線性變化范圍，但局部筋板存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在高頻載荷作用下，容易出現(xiàn)疲勞，需要進(jìn)一步優(yōu)化。

2）受局部彎矩影響，在端梁和中間連系梁連接部位內(nèi)側(cè)應(yīng)力比外側(cè)要大，中間連系梁的應(yīng)力并沒(méi)有呈現(xiàn)中間比兩端大的特點(diǎn)，說(shuō)明中間連系梁在計(jì)算時(shí)不能簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，但也不能認(rèn)為是兩端固定連接，要充分考慮兩梁各自剛性對(duì)連接部位的影響。

3）運(yùn)用ANSYS Workbench能夠快速地對(duì)小車架模型進(jìn)行有限元分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小跑車強(qiáng)度和剛度的預(yù)測(cè)，提高了設(shè)計(jì)效率，使起重小車更加輕量化。

4）小車架整體應(yīng)力不大，強(qiáng)度安全余量很大，但剛度余量很小，說(shuō)明小車架在設(shè)計(jì)時(shí)考慮更多的是自身剛性對(duì)振動(dòng)的影響，因此小車架設(shè)計(jì)時(shí)并不需要強(qiáng)度較高的材料，普通板材即可滿足要求。

［1］ GB/T 3811-1983 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數(shù)值模擬技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2012.

［3］ 張質(zhì)文,虞和謙，王金諾，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2001.