基于SolidWorks 的橋機主梁有限元仿真分析?

2015-12-31 12:10:38韓曉君

機械工程與自動化 2015年4期

師瑋，韓曉君

（太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024）

0 引言

橋式起重機金屬結構主要由主梁與端梁相互連接，端梁上方的大車運行機構移動于具有一定高度的縱向專用軌道上，主梁上方的小車在小車運行機構的牽引下沿其跨度方向移動［1－2］。橋式起重機的主梁結構是起重機整機結構中的主要承載部件，在實際工況中橋架主梁結構上變截面尺寸部位最容易出現應力集中現象，而結構的疲勞破壞往往首先發生于該類局部位置，因此，對于橋式起重機主梁疲勞載荷的檢測和結構無損探傷應著重于該應力集中部位。伴隨著計算機技術的不斷更新發展以及三維建模軟件仿真開發技術的不斷成熟［3－4］，包括強度、剛度以及疲勞壽命計算等大部分結構分析均可以以結構的三維仿真模型為基礎，運用其計算機仿真分析手段來獲得結構的應力和位移分布狀況，從而為實際工程提供一定指導作用。

本文采用大型三維建模分析軟件SolidWorks以及其有限元分析模塊SolidWorks/Simulation模擬仿真分析了當前橋式起重機設計中存在的相關問題。

1 模型建立

1.1 結構及參數

橋式起重機主要由主梁、端梁、大車運行機構、小車運行機構、起升機構、駕駛室、小車運行軌道、電氣設備、欄桿等部分組成。本文重點研究的是橋式起重機的主梁結構，其主要由左、右兩塊腹板，上、下兩塊蓋板以及若干隔板、筋條等通過焊接組成。利用SolidWorks進行建模所得主梁結構模型如圖1所示。其結構一般通用的材料為Q235，材料特性如表1所示。

圖1 橋式起重機主梁三維模型

表1 Q235材料特性

1.2 施加約束

對橋式起重機整機簡化結構中主梁與端梁相互連接的兩個端面進行簡化并根據實際情況施加約束。根據橋式起重機理論將主梁受力模型簡化為簡支梁，故在此可對主梁一端施加全約束、另一端施加垂直于主梁方向以及沿主梁方向的約束予以仿真，如圖2所示。

圖2 橋式起重機主梁受力約束

2 載荷情況

2.1 自重載荷

自重載荷是指橋架結構、機構、動力或者電氣設備等物件的重量［5］。在起重機結構設計計算過程中自重載荷主要分為兩大類：一類為均布載荷，主要由主、端梁結構、橫跨走臺、欄桿等組成；另一類是集中載荷，主要由司機操作室、小車車架、電氣設備等局部部件組成［6－7］。由于在對結構材料屬性的設定過程中定義了材料密度、泊松比等屬性，且重力為分布載荷，重力加速度的方向是垂直向下，在三維建模軟件SolidWorks中便只需給出重力加速度的作用方向和數值大小，軟件便可自行算出主梁結構的重力大小并于結構有限元分析過程中予以考慮。

2.2 起升載荷

起升載荷是指起重機所能起升的物品以及取物裝置的重量。在起重機工作中，起升載荷包括允許起升的最大物品重量、取物裝置（下滑輪組、吊鉤、吊梁、抓斗、容器、起重電磁閥等）以及懸掛撓性件和其他隨同升降設備的重量。

當起重機的起升高度小于50m時，起升鋼絲繩的質量便可以忽略不計。由于考慮到物品起升離地或將懸吊在空中的吊載重物突然卸載或者機構突然下降制動時，起重機的金屬結構將因出現振動而產生脈沖式增大或減小的動力效應，此時自重振動載荷必須用一個自重載荷系數Φ1（即起升沖擊系數）予以放大，Φ1＝1±α，0≤α≤0.1，考慮到起重機實際工況可選取α的平均值，本文取α＝0.05。

另外，考慮到吊載物品下降制動時對承載機構和傳動機構產生的附加動載作用，這一動載作用可以通過將額定起升載荷乘以一個大于1的起升載荷動載系數Φ2予以考慮。

起升載荷動載系數Φ2的取值方法如下［8］：當額定起升速度vq≤0.2m/s時，Φ2＝Φ2min＝1.1；當vq＞0.2 m/s時，Φ2＝Φ2min＋β2（vq－0.2）。其中，β2為與起升狀態級別有關的操作系數；Φ2min為與起升狀態級別相對應的起升動載系數的最小值。

3 結構有限元分析

在起重機日常工作狀態中，主梁主要受到結構本身自重、小車自身重量以及起升載荷三者共同作用。由上可知，橋架結構自重可以通過定義材料屬性以及重力加速度后由軟件自動計算來獲得，小車自重和載重量可通過在主梁上施加相應的集中載荷予以定義。由于結構本身是雙梁橋式起重機，因此每一個梁上的載荷為總載重量的1/2。而對于集中載荷的施加，可以采用均勻地將起升載荷和相關吊具重量以及小車重量施加到特定輪壓位置附近的部分節點上，由此可消除加載處應力過于集中的現象，從而避免局部應力集中導致變形過大。載荷大小即小車輪壓值，方向是垂直于主梁上蓋板向下。小車輪壓Φ作用于一個簡支矩形板上，簡支矩形板受到的接觸力F實際上是作用在小矩形面積a1b1上（a1為軌道受力部分的長度，取a1＝（2hg＋50）mm，hg為軌道高度，b1為軌道寬度），如圖3所示。

圖3 翼緣板實際載荷圖

本文最終選取起重機某一典型工況對主梁跨中輪壓位置施加所有相關載荷，將自重載荷、起升載荷施加到主梁跨中位置，取重力加速度為9.8m/s2。對1/2橋架模型施加約束以及相關載荷后并對其劃分網格，如圖4所示。

圖4 主梁網格劃分并添加約束

對主梁施加50t起升載荷（50t起升載荷加上小車質量10t即為主梁承受的載荷）后，得到主梁的應力、應變及變形云圖，見圖5～圖7。由圖5可知，主梁端部存在一定的應力集中現象，因此主梁端部應為日常檢測的重點關注部位，50t載荷加載于跨中時主梁結構端部產生的等效應力值最大，最大應力為110.86MPa。圖7顯示主梁最大位移為11.73mm，小于許用值，由此可知該主梁還可以通過調節截面尺寸參數進行進一步優化。由于最大應力出現于主梁腹板截面尺寸突變處，所以在設計時可通過修改模型參數來著重調整、分析主梁跨端變截面處下蓋板（彎板）的厚度、過渡圓角半徑、跨端梁高、主腹板厚度等對該處應力分布的影響。