爐頂自動搬送起重機吊具導向架的分析優化

張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

爐頂自動搬送起重機吊具導向架的分析優化

張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

通過Pro/E 軟件對爐頂搬送自動起重機吊具導向架進行三維建模。利用有限元軟件ANSYS Workbench對吊裝工具進行仿真計算，得出吊具導向架的變形與強度分布情況，并根據計算結果對吊具導向架進行了結構優化，對相似結構的設計有一定的指導意義。

吊具導向架； 有限元； ANSYS Workbench； 結構優化

0 引言

焦爐是煤化工企業的主要設備之一，爐頂主要有運行機械和橋管、裝煤車等爐體附件。爐頂搬送自動起重機是一種負責爐頂相關附件檢修、調運、安裝等工作的專用起重機。

吊具導向架是爐頂搬送自動起重機的重要組成部分，它是吊具導向的重要裝置，因此要求有很好的剛度強度和抗振動性能，為了保證吊具導向架的安全，用ANSYS Workbench對其進行仿真模擬，并提供了給定設計方案的結構變形和應力分布云圖，為對其進行失效分析和更深入的分析模擬提供理論依據。

1 有限元法理論介紹

有限元方法起源于矩陣結構的一種分析方法，通過科學家和數學家的多年的工作，已經使其不斷成熟完善，從而變成在工程分析中一種處理偏微分方程邊值問題的最有效的數值方法之一，對于工程中的許多場變量的定解問題，通過此方法可以得到滿足工程要求的近似解。應用此方法在對于連續介質問題分析時，首先要將求解域離散化，然后的中心工作是單元分析，即建立結點位移與結點力之間的關系。此后的工作可以認為是程式化的工作，即組裝總體方程和求解此方程，在解方程時要用到數值積分。變分原理在有限元方法中有重要的作用，在許多場合依據變分原理可以給出總體方程合理性的滿意解釋。創建新型單元的工作仍在不斷進行，人們始終沒有放棄構造新型的功能更強、性質更優的單元的努力。有限元法近年在諸多領域都得到了廣泛應用并且不斷完善。因此通過有限元法計算結構的剛強度，是非常快捷、準確、有效的方法。ANSYS Workbench作為有限元分析方法進行實際運用的專用軟件，將建模、可視化、智能化計算等融合于一體，能夠較準確分析結構的力學性能優劣，本文通過ANSYS Workbenchh專業的分析模擬軟件，對吊具導向架進行分析優化，可以節約大量的人工和經濟成本，從而達到縮短研發周期提高研發效率的目的。

2 吊具導向架的基本參數

吊具導向架是用型材焊接而成的框架結構，其材料是采用Q235A，其彈性模量2.06×105MPa；密度7 850 kg/m3，材料屈服強度σs=235 MPa。

吊具導向架是采用型材槽鋼、角鋼等焊接而成，高7 130 mm，上端截面3 150 mm×2 600 mm，下端截面3 150 mm×3 150 mm，鋁包重心至框架底部距離3 000 mm，活動框架輪距1 700 mm。

圖1 吊具導向架三維模型

3 吊具導向架的分析優化

3.1 吊具導向架的靜力學分析

3.1.1 三維模型的建立

吊具導向架三維模型見圖1。利用Pro/E自帶的插件EFX鋼結構模塊，對吊具導向架進行建模，采用骨架建模的方式，然后選定型材對其進行填充。用此方式進行建模即節約了建模速度又節省了計算機資源。

3.1.2 有限元模型的建立

有限元分析過程中，三維建模是非常關鍵的步驟，按照實際幾何結構進行建模，因為其中一些無關緊要的部分會影響網格劃分的質量和計算的速度，所以在建模過程中，去掉了影響計算結果微小的因素。

圖3 吊具導向架變形云圖

按照設計圖紙尺寸將用Pro/E軟件建立的吊具導向架通過Pro/E與ANSYS Workbench之間的無縫連接導入。此模型采用Solid187單元，Solid187由10個節點定義，每個節點3個自由度：x、y、z方向。該元素具有空間的任何方向。具有塑性、超彈性、應力強化、蠕變、大變形、大應變能力。所以Solid187單元可以滿足此計算的要求。

經過網格局部細分和小結構的具體處理后，最終網格模型節點數為62 022，單元數為7 406。

圖2 吊具導向架有限元模型

3.1.3 邊界條件

3.1.3.1 約束條件

吊具導向架上部固定在電解車工具小車框架上，所以對吊具導向架頂部把合端進行固定約束。

3.1.3.2 載荷條件

大車運行速度50 m/min，小車運行速度30 m/min，吊具導向架自重6.28 t，吊具重9 t，吊重32 t。將以上條件，轉化為力加載在吊具的導向輪與吊具導向架軌道的接觸位置。

3.1.4 結果及分析

最大變形的位置，見圖3，在下端斜拉鋼的中部。該變形值表示該加強筋在整體框架受力過程中受到擠壓彎曲等作用產生的變形。而整體框架的實際變形應為導軌中線偏移位移值，或者導軌非受力側變形位移值，該值明顯小于圖中顯示的筋板變形值。

表1 計算結果

一般情況下最大合應力值通常在固定位置附近出現，本結構最大應力值的位置在加強筋與梁的焊接位置，見圖4。主要原因是因為局部網格密度過大使該位置的應力產生奇異。由于整體結構與型材尺寸比值較大，結構主要是分析剛性問題，網格密度只考慮整體變形情況，局部細微結構的應力集中對整體結構的變形的影響很小，不會對整體變形趨勢產生影響，所以未加考慮。并且該應力值非常小，亦即表明整體結構在固定端的實際應力較小。故無需細化局部網格來確定其具體應力大小。

圖4 吊具導向架應力云圖

3.2 吊具導向架的優化

根據吊具導向架靜力學的分析結論，對其進行結構優化。

由于框架上端固定，但是經過現場工作人員反映框架在運行過程中存在晃動現象，考慮到是由于下端承受運行時的水平作用力而晃動，通過上述計算，框架的整體剛性較好，為了控制框架晃動頻率和對小車的影響，在框架固定把合端增加緩沖結構，即對框架把合的端部增設護板和筋板，并根據優化后的結構利用Pro/E軟件繪制三維圖，對增加的護板和筋板進行著色處理，見圖5。

圖5 優化后的吊具導向架模型

4 結論

(1) 經過計算所提供的吊具導向架剛強度按照《GB 50017—2003鋼結構設計規范》，關于桁架結構撓度容許值(最大變形值)低于懸臂長度L/400，該結構滿足靜力學條件。理論計算無法考慮使用過程的全部因素，關于該結構實際應取的撓度值應根據工況和具體要求設定。

(2) 通過Pro/E軟件中EFX鋼結構模塊對吊具導向架進行三維建模，利用ANSYSWorkbench有限元軟件對吊具導向架的應力和變形分布狀態進行了計算，針對其分析結果對吊具導向架的結構提出了改進建議，并根據分析結果對結構進行了優化改進。

本文的分析結果對吊具導向架的設計有著重要的意義，并對相似結構的機械設備設計也能起到一定的借鑒作用，從而為結構設計或改進提供合理依據。利用有限元對結構件分析比常規計算法更加直觀、準確可靠。

[1] GB/T3811—2008，起重機設計規范[S].

[2] GB50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[3] 成大先．機械設計手冊(第四版)[M].北京：化學工業出版社，2002.

[4] 陸明萬，羅學富.彈性力學基礎[M].北京：清華大學出版社，2001.

Structure Optimization of Crane Sling Guide Frame of Top Automatic Conveying

ZHANG Shi-jun

The paper makes the three-dimensional model for the sling guide frame of top conveying automatic crane by Pro/E software, calculates and simulates the sling guide frame of top conveying automatic crane by the finite element ANSYS Workbench, obtains the sling guide frame deformation and strength distribution cloud picture, takes structural optimization according to the calculated results of sling guide frame structure. The result of analysis is useful to the similar structure design.

the sling guide frame； finite element； ANSYS Workbench； structural optimization

2015-03-16

張世軍(1962-)，男，遼寧沈陽人，教授級高級工程師，大學本科，主要從事科技管理和新產品研發工作，現任中國有色(沈陽)冶金機械有限公司設計研究院院長。

TF821

B

1003-8884(2015)04-0023-04