利用CAD/CAE技術(shù)分析和優(yōu)化橋式起重機主梁設(shè)計

吳鋒　馮建平

中國石油化工集團公司物資裝備部

1 前言

隨著中國經(jīng)濟的騰飛和機械工業(yè)的發(fā)展，起重機在人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣，其形式和種類也越來越多，以滿足不同場合的需要。

筆者在對一起重機企業(yè)的現(xiàn)場檢驗過程中，發(fā)現(xiàn)該企業(yè)采用了三小車外加一電動葫蘆的結(jié)構(gòu)型式（QES40/20+20/5t）。該企業(yè)設(shè)計人員采用傳統(tǒng)手工計算發(fā)現(xiàn)要求噸位的起重機若采用常規(guī)截面，雖然強度驗算符合要求，但主梁下?lián)隙葘⑴c許用撓度相差無幾。考慮到原材料偏差和制造加工誤差，設(shè)計人員打算增大截面，以提高安全系數(shù)。為了幫助企業(yè)節(jié)約材料，降低生產(chǎn)成本，筆者采用目前最先進的有限元分析方法對該起重機進行了模型重建及有限元分析，以確定截面值及其安全性能。

2 有限元模型建立

2.1 起重機主要性能參數(shù)

該橋式起重機與普通橋式起重機不同，它有三個小車，起升載荷分別為40t和20t，另外在主梁一側(cè)走臺下還掛著一個5t的電動葫蘆。主要性能參數(shù)為：額定載荷：40t；跨度：23m；小車軌距：3.6m；工作級別：A5；葫蘆用工字鋼：30#特殊工字鋼；40t小車自重10.884t；20t小車自重5.835t；5t電動葫蘆自重0.631t；結(jié)構(gòu)件材料采用Q235B，主梁截面尺寸如圖1所示。

圖1 主梁截面尺寸

2.2模型建立

本文采用ANSYS進行分析驗證，版本為11.0。考慮到對于大型設(shè)備，ANSYS的建模功能相對于其他三維設(shè)計軟件薄弱，故本文采用主流三維設(shè)計軟件之一的Unigraphics進行該起重機的三維建模。建立好的起重機橋架模型如圖2所示。

圖2 橋架模型

Unigraphics軟件除具有強大的三維實體建模與裝配建模外，還具有較強的運動分析、干涉檢查、仿真運動及載荷分析功能。其網(wǎng)格劃分及載荷添加功能，運行速度較ANSYS快，操作更為直觀。故本模型在Unigraphics中劃分網(wǎng)格、添加載荷和約束。對于起重機而言，采用的是鋼板焊接成型，所用鋼板厚度相對于梁截面的高度和寬度較小，宜采用有限元中的SHELL模塊進行網(wǎng)格劃分[1]。故本文采用SHELL63單元劃分網(wǎng)格[2]。

雙梁橋式起重機是由四個大車車輪支撐在軌道上行走的。因此，可參照空間簡支梁來對橋架施加約束：在一側(cè)端梁兩端車輪支撐處施加沿Z方向的約束，另一側(cè)相同部位施加沿Y和Z方向的約束。采用自由網(wǎng)格劃分后的有限元計算模型如圖3所示。

圖3 有限元計算模型

3 分析和驗證

3.1 工況一

該起重機主梁設(shè)計載荷為40t，實際可能的最不利工況為中間40t小車在跨中起吊額定載荷，其余小車離跨中最小距離，同時5t電動葫蘆位于跨中，如圖4所示。針對此工況對模型施加相應(yīng)載荷，如圖3所示。將Unigraphics生成的有限元分析文件導(dǎo)入ANSYS，形成ANSYS的節(jié)點、單元及相應(yīng)的約束與載荷，然后進入ANSYS進行問題的求解。計算所得位移云圖如圖5所示。

圖4小車位置圖

圖5 工況一主梁位移云圖

從圖5中可得跨中最大下?lián)现禐?5.898mm。該起重機設(shè)計工作級別為A5，跨度L=23m，故許用跨度：[f]=L/800=23000/800=28.75mm[3]。還有一定的余量，符合要求。

3.2 工況二

該企業(yè)由于技術(shù)力量比較薄弱，設(shè)計人員設(shè)計時比較保守。該企業(yè)提供的技術(shù)資料中對主梁下?lián)系挠嬎悴捎玫氖亲畈焕r條件：將所有小車及葫蘆的重量均放于跨中進行驗算，得出下?lián)现禐?8.13mm，此值的確與許用值相差無幾。但手工計算中沒有考慮主梁內(nèi)各筋板的作用。故在此以所有載荷均位于跨中進行有限元計算。在Unigraphics中針對工況二對模型施加載荷后，轉(zhuǎn)入ANSYS進行分析，得位移云圖如圖6所示。

從圖中可得跨中最大下?lián)现禐?7.25mm。可見主梁內(nèi)筋板的效果不可忽視。該截面還是可以滿足使用要求的。另外工況二下的應(yīng)力云圖如圖7所示，由于從Unigraphics導(dǎo)入到ANSYS后，如不對單位制進行改動，得到的應(yīng)力單位為kPa，故最大應(yīng)力為123MPa。Q235B許用應(yīng)力為135MPa[4]，符合要求。

圖6 工況二主梁位移云圖

圖7 工況二主梁應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文利用主流軟件Unigraphics和ANSYS，對采用三小車加一電動葫蘆結(jié)構(gòu)型式的主梁進行了有限元分析。與手工計算相比，對起重機的有限元計算充分考慮了各大小筋板的作用及結(jié)構(gòu)細節(jié)，能更真實地反映設(shè)備的綜合性能。通過對最不利工況和實際工況的計算分析，表明該起重機現(xiàn)行設(shè)計的結(jié)構(gòu)強度和剛度均滿足要求，無需增大截面。利用CAD/CAE技術(shù)，將為企業(yè)節(jié)省大量生產(chǎn)成本，在確保安全的前提下，實現(xiàn)效益最大化。

[1]謝慧超，陳傳勝，孟亞. 基于CAE理論的起重機箱形梁有限元分析. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，2.

[2] 秦宇. ANSYS11.0基礎(chǔ)與實例教程. 北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[3] GB/T 3811-2008. 起重機設(shè)計規(guī)范.

[4] 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，包起帆. 起重機設(shè)計手冊. 北京：中國鐵道出版社，1998