基于ANSYS Workbench雙梁小車式起重機主梁結構設計及靜態分析

黃偉莉， 郝世查， 范芳蕾， 陳星， 余龍

（東華理工大學機械與電子工程學院，南昌330013）

0 引言

起重機是目前應用很廣的一種起重運輸設備，廣泛應用于港口、碼頭、堆場、船臺和貨場等露天工作場合。主梁金屬結構是起重機的骨架，承受著自重載荷和各種工作載荷，約占整機總重的25%~30%，它的使用狀況直接決定了雙梁起重機的工作壽命。傳統的起重機設計方法多采用以經典力學和數學為基礎的半理論、半經驗設計法和模擬法、直覺法等傳統設計方法,設計過程反復多、周期長,所涉及的計算的公式復雜、計算量大。設計的精確度較低、費用高[1]。小車運行工況的實時應力狀態不能及時地反映。隨著科學技術和電子計算機技術的飛速發展，現代化設計制造技術逐步提高，起重機的設計方法也正向著集成化、模塊化轉變。各類有限元分析軟件應運而生，為機械設計注入了新的動力，利用它能對處于設計階段的模型進行數值仿真，對設計的合理性檢驗和優化有著重要作用，而且能實時顯示各種工況下的應力、應變及其分布，及時發現設計中存在的問題，從而縮短產品研發周期、減少產品的質量和制造成本，對推動節能減排、低碳環保的綠色經濟具有重要意義[2]。本文利用ANSYS Workbench對該起重機的單根主梁進行結構強度、剛度分析，并提出優化設想。

1 主梁的設計與計算

1.1 主要結構參數

該起重機的主要參數為：載重30/5 t，跨度25 m，起升高度10 m，工作級別為A5，支腿平面采用A型雙剛性支腿門架結構，其總體結構如圖1所示。

圖1 起重機總體結構圖

主梁和剛性支腿采用法蘭對接和螺栓連接，它們之間不存在位移而采用Boned連接。在分析過程中支撐處螺栓連接的連接孔和主梁兩端的側面箱型結構及一些微小結構，如圓角、梁邊上的連接結構對分析結果無影響，在建立模型的時候可將其省略。主梁支撐處的支座與腹板之間用一梯形板進行連接，為避免分析時在轉角處出現應力奇異，將梯形尖銳轉角處改為圓角。

1.2 主梁截面參數

該起重機的主梁為箱型結構，主梁高度1470 mm，翼緣板寬度1162 mm，厚度10 mm，腹板厚度6 mm，截面尺寸1090 mm×1450 mm，如圖2所示。內部共有間距為1500 mm的隔板25塊和間距為500 mm的筋板48塊，內部加強筋和隔板及等邊角鋼等輔助結構焊接而成。

本文以主梁為研究對象，用NX軟件完成主梁的三維建模。利用NX與ANSYS Workbench無縫對接功能直接將模型導入ANSYS進行有限元分析。

圖2 主梁結構圖

起重機實際受力情況比較復雜，將其受力簡化為兩個集中力代替小車車輪壓在車輪軌道上的壓力，據設計標準有許用撓度為fx=L/750=18.6 mm[3]，其中L為主梁長度。其簡化受力如圖3所示。

圖3 主梁簡化受力圖

2 主 梁 的ANSYS分析

2.1 有限元模型的建立

文中起重機的主梁整體結構材料采用Q-235B。模型搭建好后將其導入Workbench中定義其材料屬性，彈性模量為206 GPa,材料密度為ρ=7850 kg/m3,主梁的工作級別為A5，根據主梁的工作級別和機構的工作級別，確定其安全因數n=1.34，其中材料的許用應力為［σ］=175.37 MPa，許用切應力［τ］=102.55 MPa,泊松比為0.3。主梁共由115個部件共同構成，程序自動設置的連接在由多部件組建的裝配體中可能會存在不可靠連接，需手動設置被檢查連接的有效性。由于起重機整體尺寸較大，若用實體模型進行分析計算，將會產生很大的計算量，權衡計算機的計算能力和計算精度，將模型進行抽中面處理，以減少計算量。

對主梁采用自動網格，生成網格模型如圖4所示。

2.2 載荷施加及結果求解

因為主梁為對稱結構，故在本次分析中選取跨中（工況一）和距跨中截面右側S/4處（工況二）及S/2（工況三）處兩個不同的工況進行靜應力分析，其中S為主梁跨度。按GB 50278-2010靜載試運轉標準，起重機的實際靜載荷應為額定載荷的1.25倍，即靜載荷為40 t,將小車輪及重物對主梁的壓力簡化為一均布壓在頂板上的兩塊板上的壓力。由圣維南原理可得該板的尺寸為390 mm×380 mm，根據力學原理，單個主梁承受200 kN的重力，每塊長板上的壓力應為F=100 kN，在 Analysis_Setting中添加重力和載荷。在求解器中添加形變和應力求解項。分別求解三種工況下的應力應變，得到其應力應變云圖分別如圖5和圖6所示。

圖4 主梁網格圖

圖5 主梁應變分布云圖

根據結果顯示:工況一主梁上產生的最大應力為114.67 MPa,最大形變為7.54 mm；工況二的最大應力為119.9 MPa，最大形變為5.01 mm；工況三的最大應力為63.27 MPa，最大形變為1.78 mm。最大應力都小于材料的許用應力，在小車位于主梁的端部時，在內部筋板產生的切應力也小于許用切應力。形變最大處都在主梁中部且均小于許用撓度。較大應力集中主要在支撐處，主梁腹板和筋板上應力較小，還有較大的應力儲備。

3 結 論

對主梁進行有限元靜應力分析之后得到了以下結論：1）主梁的最大應力和最大應變均小于許用值，主梁結構強度和剛度滿足設計要求；2）在支撐連接處出現較大的應力集中，但均在材料的許用應力范圍之內；3）主梁內部部分橫加筋板和上下左右的腹板并未承受較大的應力，具有較大的應力儲備；4）將支撐處的連接結構加寬以及將尖倒角改為圓倒角以消除部分應力集中，改善承重效果。或將內部橫加筋板和上下及左右的腹板厚度減少1 mm，保證結構強度和剛度的同時減少自重，達到輕量化的目的。

圖6 主梁應力分布云圖