基于ANSYS的門式起重機性能分析

(山東科技大學機械電子工程學院 山東 青島 266590)

基于ANSYS的門式起重機性能分析

王鳳嬌于蘭浩王賀吳國良

(山東科技大學機械電子工程學院山東青島266590)

隨著我國工業的不斷發展，起重機械在制造業的地位逐漸突出，與此同時有限元法在起重機械領域廣泛應用。本文以雙梁式(雙懸臂)龍門式起重機為研究對象，采用有限元分析方法和ANSYS軟件，對大噸位門式起重機進行簡化模型，通過網格劃分和載荷加載，仿真分析門式起重機的性能，研究其變形規律。

ANSYS；有限元法；門式起重機

門式起重機又稱為龍門吊，適用于各種大中型裝卸作業，門式起重機的金屬結構像門形框架，根據主梁數目分為單主梁門式和雙主梁門式起重機。其中箱梁式起重機是使用鋼板焊接成箱式，它具有安全性高、剛度大的特點。

一、有限元技術簡介

有限元技術自上世紀以來跟隨工業技術的發展成為結構學、傳熱學、流體力學、聲學、電磁學等領域的一種常用手段。有限元法的基本原理是將一個結構或連續的物理模型離散為有限個單元，通過節點相互聯系連接成一個整體，如1-1式所示。

[F][k]=[f](1-1)

其中：F-經離散后連接的整體的剛度矩陣；k-經離散后節點位移陣；f-經離散后載荷陣。這樣將問題轉化為單元節點近似函數方程組(1-1式)求解問題，可以利用計算機技術只對有限個線性方程組求解，得到各節點的位移分量，進而求解各節點的應力等，避免了復雜微分方程的求解。結構有限元分析基本步驟為：連續體的離散化、單元力學特性分析、建立平衡方程并求解計算結果。

二、雙梁式(雙懸臂)門式起重機有限元分析

(一)門式起重機模型的構成

門式起重機主要由門架、起重小車、大車運行機構、電氣控制系統等組成[1]，其中門架主要由主梁、支腿、上橫梁、下橫梁等結構組成，支腿可以再地面軌道上行走，模型簡化示意圖如圖1所示。

圖1 雙梁式(雙懸臂)門式起重機門架簡化示意圖

(二)靜態特性分析

在傳統的門式起重機校核計算中，技術人員利用最不利的工況分別對主梁和支腿進行計算，不適合具體工況的分析，而利用有限元仿真分析軟件可以對門式起重機整體建模，更加貼合實際工況。

門式起重機的金屬結構主要利用鋼板焊接而來，采用的的材料為Q235，它的彈性模量E=2.1e11pa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7850Kg/m3、屈服極限σ=235MPa。其基本許用應力σ根據《起重機械金屬結構》[2]對彈塑性材料的規定可以通過(2-1)式得到：

對雙梁式(雙懸臂)門式起重機完成建模后利用ANSYS軟件進行網格劃分，再根據實際工況加載求解出門式起重機的性能參數。本文考慮的工況為：大小車制動且小車位于主梁跨中位置滿載起吊，起重量1200T，考慮設備起重機自重和風荷載，利用ANSYS 15.0對雙梁式(雙懸臂)門式起重機進行計算，所得起重機總體變形和豎直方向(Y向)應力分布云圖如圖2所示。

圖2 雙梁式(雙懸臂)門式起重機變形和應力分布云圖

由圖2可得，雙梁式(雙懸臂)門式起重機的最大形變為0.0589m，豎直方向最大應力σ=0.396E8Pa=39.6MPa≤[σ]=167.69，符合設計要求。

(三)模態分析

《起重機設計規范GB/T3811-2008》沒有對起重機的動態剛性并沒有要求，但是在《起重機設計手冊》[3]中為避免司機受振動作用影響推薦將門式起重機自振頻率控制在2Hz-4Hz的范圍內，所以本文利用ANSYS 15.0有限元軟件分析起重機前9階的振動頻率和第9階振型位移云圖。

表1 雙梁式(雙懸臂)門式起重機自振頻率

圖3雙梁式(雙懸臂)門式起重機第9階模態振型位移云圖

由計算得到的表1和圖3可以看出，雙梁式(雙懸臂)門式起重機前6階自振頻率均小于2Hz，可能會使司機感覺不適，自第7階起其自振頻率在2Hz-4Hz之間，符合設計要求。綜上所述，可以對結構進行修改，得到延長使用壽命的要求。

三、結束語

門架結構作為起重機的承載構件，其性能的好壞直接影響起重機的生產效率和使用壽命。文章對雙梁式(雙懸臂)門式起重機的結構進行設計，利用有限元法對門式起重機進行校核計算，針對雙梁式(雙懸臂)門式起重機的自振振型進行分析，得到起重機滿足強度設計要求。

[1]張磊.基于VB及APDL的門式起重機有限元分析系統[D].西南交通大學，2014

[2]陳瑋璋.起重機械金屬結構[M].北京：人交通山版社，1996

[3]張質文，虞和謙等.起重機械設計手冊[M].北京：中國鐵道工業出版社，1998.

王鳳嬌(1991-)，女，山東臨沂人，研究生在讀，山東科技大學，研究方向先進制造技術。