基于Solidworks的塔式起重機變幅小車機架的靜力學分析

紀 斌 陳興燕

貴州理工學院機械工程學院 貴州 貴陽550003

0 引言

變幅機構是臂架型起重機的主要工作機構，用于改變起重機的幅度，即改變吊鉤(或抓斗)中心至起重機回轉中心軸線的水平距離，以適應起重機在不同條件下裝卸物品。其上通常安裝有滑輪組及吊鉤，起到連接起重機與重物的作用。其是起重機的主要受力構件，變幅小車的失效可能會導致重大安全事故，造成人員傷亡及設備事故。因此，變幅小車的安全性能對起重機來說特別重要，本文采用現代設計方法中的有限元法對變幅小車機架進行靜力學分析，找出結構受力最大位置，分析危險點的應力應變及位移情況，針對應力應變變化規律，給變幅小車機架的優化設計提供理論依據。

1 變幅機構幾何建模

Solid works三維軟件是一款功能齊全、運用廣泛、簡單易學的三維建模與分析軟件，很多高校及企業運用此軟件進行產品的三維造型設計及分析。Si mulation是Solidworks中基于有限元分析設計的一個插件，本文通過使用Solidworks2015中的該插件對零部件的三維建模進行靜力學分析。

根據分析特點，為了縮短分析計算時間，在不影響分析結果的情況下，我們對變幅小車的三維模型進行了適當的簡化，根據起重量為7t的塔式起重機變幅小車機架的結構及參數對變幅小車機架進行三維建模，首先按照機架特征進行草圖繪制，采用Solidworks中的各種特征操作，生成變幅小車機架的三維實體模型。

2 有限元分析過程

在Solidworks中打開Simulation插件，新建新算例，進行有限元靜力學分析。

1.定義材料。該型號的變幅小車機架材料為Q345B，所以我們在軟件操作界面應用材料中，對變幅小車機架定義材料為Q345B。

2.添加約束和載荷。根據變幅小車的運行情況，對變幅小車進行受力分析，小車主要承受吊物及自身的重力作用，載荷方向向下，其數值大小為75000 N，載荷作用點主要通過滑輪組作用在變幅小車機架中間位置的四根橫桿上面，所以我們通過插件中的外部載荷添加作用在機架上的載荷。

變幅小車的通過機架的左右兩邊的四個支撐桿進行支撐固定，所以我們通過插件中的夾具分析對四個支撐桿進行幾何體約束添加操作。

3.網格劃分。通過插件的對變幅小車機架進行網格劃分，每個單元有A個節點，并且每個節點有3個自由度。本分析采用實體網格，二階高品質單元，共得到24788個節點，13663個單元。

3 有限元運算及結果分析

3.1 應力運算結果分析 變幅小車機架使用材料是Q345B，材料的屈服極限為345 Mpa，安全系數取1.3 ，截面的許用應力為265 Mpa，從變幅小車機架有限元分析得到應力分布云圖中可以看出變幅小車機架受力最大處為滑輪支撐橫桿中間位置處，最大應力為257 Mpa，沒有超出截面許用應力，因此變幅小車機架是安全的。

3.2 位移運算結果分析Si mulation分析得到變幅小車機架位移分布云圖，如圖1所示。從圖中可以得到變幅小車機架最大位移發生在滑輪支撐橫桿中間位置，最大位移為0.0 1 mm，方向向下，位移量在許用位移量之內，結構安全。

圖1 變幅小車應力、位移分布云圖

4 結論

通過以上分析可知，變幅小車機架的最大應力發生在內表面，這很好的反映出所建立的三維模型實體及有限元分析很接近實際受力和變形情況。有限元法的應力分析大幅度提高了塔式起重機結構應力分析的精度，它將是今后塔式起重機結構應力分析的主要手段，給塔式起重機結構設計及優化設計提供了理論依據。