基于ANSYS的大型焊接卷筒稳定性分析

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卷筒是起重机重要 的承载部件 ，它 的主要 功用是卷绕绳索提升重物，其主要设计参数是直径 D、长度 和壁厚 6，其中卷筒 壁厚是最重要 的参数，尤其对于大型焊接卷筒来说 (D≥800mm)，壁厚 的设计影响到卷筒的承载能力和使用寿命 。传统的设计方法是基于经验公式 ，焊接卷筒壁厚近似 等于钢丝绳直径 d ，即： 6-d(mm) (1)工程实践表明这种传统 的卷筒设计方法是非常保守的。随着生产技术 的不断发展 ，远洋运输 的不断扩大 ，港 口起重机的起重货物的规格不断的扩大。

相应地 ，起重机也 出现了大型化的发展趋势 ，对起重机关键零部件的要求也越来越大了。起重机的起升重量增加，钢丝绳 的直径也增加 了，卷筒 的壁厚也相应地增加了。随着卷筒 的壁厚增 大，卷筒 的重量 增加 ，生产制造卷筒 的难度和生产成本相应地 也会 提高。因此 ，在实 际生产 中许 多厂家采取 了-些减 薄壁厚的措施，但缺乏相应的理论依据。随着卷筒设计壁厚的减小，卷筒的稳定性成为突出的问题，传统的卷筒稳定性校核方法是基于材料力学 的简化设计方法 ，即：zE(吾) cN/ram2式 中：p -临界压力 ；E-材料弹性模量。

公式(2)在设计 计算 卷筒 时没有考虑卷筒 的结构、支撑条件、绳槽、长径 比等 因素对卷筒临界压力 的影响，它得出的卷筒临界压力是偏小的，是不符合实际情况的，工程实践表明这种卷筒稳定性校核方法是非常保守的。本文通过 ANSYS进行有限元分析 ，运用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析对卷筒稳定性做深入研究，充分说明传统设计方法的保守性。

1 卷筒稳定性有限元分析卷筒的稳定性是非常重要 的，通过大量 的实验来获得卷筒临界压力的精确解是不现实的。随着计收稿 日期 ：2012-10-30基金项目：国家自然科学基金资助项目(51165007)作者简介：程贤福(1975-)，男，江西广丰人，华东交通大学副教授，博士，研究方向为计算机集成制造、结构有限元分析、优化设计等，(E-mail)chxfxn###sina.eom。

2013年 5月 程贤福，等：基于 ANSYS的大型焊接卷筒稳定性分析 ·3·筒临界压力 的计算 方法没有考虑绳槽 的影 响，其计算的临界压力 比实际情 况要小 ，这样 导致在设计 时必须通过增加卷筒壁 厚来 提高其稳定性 ，增加 了加工制造难度 ，提高了生产成本。

1.3 几何非线性屈曲分析结果通过特征值屈 曲分析 ，可 以得 出卷筒绳 槽对提高卷筒的稳定性的结论，但同时特征值屈曲分析是比较理想化的分析方法，在特征值屈曲分析时，材料是线弹性的，筒壳结构是理想化无缺陷的，因此，得出的结果是非保守 的，与实际情况相 比呈现较大 的情况。通过几何非线性屈 曲分析可 以得到更接近工程实际的结果 ，几何非线性屈 曲分析必 须要有初始缺 陷 ，- 般 初 始 缺 陷 为 简 体 壁 厚 的 1% ～10% E 8-9]，本文中对卷筒施加 的初 始缺陷为 1mm，在壁厚的 3.3% ～5.6%之间，考虑几何非线性(大变形)，运用弧长法来获取数值上的稳定解 。

育 宝 - 耀辐呔磐厚度 m11.光面卷筒 2.标准绳槽卷筒 3.加深绳槽卷筒图 5 光 简和绳槽卷筒在不 同壁厚下 的临界载 荷1.标准绳褶卷筒 2.加深绳槽 卷筒图 6 绳槽作用与壁厚 的关 系图6为 30mm厚的光面卷筒节点 1252的位移.载荷曲线 ，由图上可知在卷筒未失稳前随着载荷的增加 ，节点的径向位移逐渐增大，当卷筒趋近与失去稳定性时，增加较小的载荷，节点的位移也变得比较大，当载荷增加到临界载荷时，节点的位移突然变得很大 ，这时卷筒失去稳定性。由图上可知卷筒的几何非线性屈曲临界载荷为 31.117Mpa，与特征值屈 曲分析相比临界载荷下降了 9.158%，表现为极值屈曲。

图7中为考虑了筒体几何缺陷几何非线性分析的有限元分析结果 曲线图 ，通过比较 ，在相 同厚度下几何缺陷相同，随着绳槽截面积的增大 ，相 同卷筒壁厚几何非 线性屈 曲分析所 得 临界压力 是逐 渐增 加的，这也说明绳槽对提高卷筒稳定性的作用。因此，绳槽的作用不容忽视。

皇- 逛邕糖铺///rl位移(mm)图 7 载荷位移 曲线/2 / / 1、 / v"- / / r / - - - 厚度(ram)1.光面卷筒 2.标准绳槽卷筒 3.加深绳槽卷筒图 8 光 简和 绳槽卷 筒在 不同壁厚下的临界载荷1.4 两种有限元分析方法结果比较图 9～1l为三种类型的卷筒两种分析方法的比较结果 ，从三个 图中可以看出 ，考虑了初始缺陷的非线性屈曲分析 的结果要 比特 征值 屈曲分析结果小 ，并随着壁厚的增加 ，两种 分析方法所得的结果都增加 ，增加的趋 势几乎 是相 同的 ，所得 结果 曲线 距离(临界载荷相对差值)变化不大。

， / - / ～ 、 2/ 厚度 (mm)1.特征值屈曲分析结果 2.非线性屈曲分析结果图 9 光面卷 椭 析结果比较言 邑轻辎磐18 2O 22 24 26 28 3O厚度 (mm)1.特征值屈曲分析结果 2.非线性屈曲分析结果图 1O 标准绳槽卷椭析结果比较· d· 组合机床与自动化加工技术 第 5期岂- 鞭铺呔磐/ 1 /-：厚度 (mm)1.特征值屈 曲分析结果 2.非线性 屈曲分析结果图 1l 深绳槽卷椭析 结果比较2 实例分析计算根据前面给出卷筒 的基本参数 ，按照传统 的卷筒壁厚设计方法 ，焊接卷筒壁厚近似 等于钢丝绳直径 d，在本例中按照公式(1)则有 ：6 d31mm即卷筒的设计壁厚为 31mm，根据起重机设计规范安全系数 n取 1.48，由卷筒强度计算方法则有 ：，rf， 29Mpa<[ ] 233Mpa (3)式中：[ ]-许用应力。

从上面强度计算结果表 明：壁厚为 31mm时 ，满足强度条件 。在本例 中卷筒直径为 D1200mm，卷筒总长 L：2790mm，长度 L>2D，因此需对卷筒进行稳定性验算 。钢丝绳在筒壁单位面积上产生的压力 P为 ： p 6.667Mpa (4)由传统的卷筒临界压力计算公式(2)并带人数据有： P 2Ef罟17.103Mpa (5)根据卷筒稳定性验算公式 ，则 ：： ： 1.07