基于Hypercrash的门式起重机吊物碰撞刚性支腿仿真分析

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门式起重机具有结构复杂、起重量大 、跨度大、工作环境恶劣等特点，在使用过程中极容易发生事故，并且发生事故的后果极为严重。其中吊物碰撞起重机支腿是引发事故的-种典型危险工况I I。由于操作人员失误或制动设备失灵等原因，吊物有可能与支腿发生干涉，受压支腿在外力的作用下可能发生局部塑性变形或失稳，从而导致整机倒塌，造成生命财产巨大损失。到目前为止，国内关于起重机的碰撞研究的主要内容处于事故防范措施和理论分析阶段。文献口只是从理论的角度探讨分析了起重机吊具碰撞的碰撞检测部分、碰撞状态的确定、碰撞后吊具的运动，尚未对碰撞过程作详细分析。在此背景下，运用虚拟现实技术对门式起重机吊物碰撞支腿过程进行仿真模拟和试验研究，分析了碰撞过程中门式起重机主要部位的受力变形、整机的能量、吊物的速度和l上小车加速度等-系列参数的变化规律。

2碰撞有限元理论基础碰撞过程是-个瞬态、大变形的过程，并且伴有强烈的接触非线性、几何非线性、材料非线性等特征，因此在碰撞模拟过程中采用动态大变形非线性有限元方法41。采用 Lagrange描述法151，根据连续介质力学的动量、质量和能量守恒方程，碰撞体系的基本方程可以写成：动量方程： 菇。 (1)式中： -柯西应力 -单位质量体积力； -加速度。

质量方程： 0 (2)式中： -相对体积；P-当前质量密度； -初始质量密度。

能量方程： (pq) (3)式中： -应变率张量、体积粘性阻力、当前构形的体积，偏应力 Soo" (pq) ，压力p -q。

来稿 日期：2012-06-14基金项目：国家质检公益性行业科研专项(201010060)作者简介：夏明睿，(1988-)，男，江苏人，在读硕士研究生，主要研究方向：虚拟仿真与优化设计；殷晨波，(1963-)，男，江苏人，博士，博士生导师，主要研究方向：工程机械数字化创新设计与制造，氧能源安全技术风力发电I1 r片制造装备技术，汽车结构轻量化设计194 机械 设 计 与制 造No.4Apr.201 3主要承受自重和吊重，碰注生则连接处出现应力集中，碰撞瞬间最大应力值达到 224MPa。对于检测点B处 ，受到的应力最大部位是支腿与主梁的连接板的两端焊缝处，并发生的局部塑性变形，碰撞时最大应力值达到244MPa。对于检测点C处，由于处于吊物与支腿碰撞区域 ，在碰撞瞬间应力值急剧上升 ，达到489MPa，支腿侧面钢板发生压溃变形，侧板底部已经发生褶皱压缩，如图5所示。对于检测点D处，由于靠近碰撞区域，受到瞬间碰撞影响比较严重，应力值上升迅速 ，最大为 191MPa。对于检测点 E处 ，柔性支腿上支承铰与主梁连接处受到较大压力，碰撞引发柔性支腿的振动变明显，最大应力值达到 121MPa♂合图4中知道，从碰撞开始到结束，碰撞运动的过程符合实际情况，表明碰茁真具有可信度。

403530)-250眚20Z 151050图5刚性支腿局部应变云图Fig.5 The Strain Image of Rigid Leg25 50 75 100 125 l5O l75 200时间(s)图6各能量变化曲线图Fig.6 The Cues of Different Energe吊物碰撞支腿整机能量变化图，如图6所示。从能量-时间曲线图可以看出，吊物与支腿碰撞过程中总能量保持恒定，初始动能为 39KJ，然后动能逐渐耗散而内能迅速增加 ，实现了能量由动能向内能的转化，刚性支腿局部出现永久变形，大约在 75ms左右动能与内能曲线发生交叉。仿真分析中沙漏变形的出现会影响求解精度，应尽量避免或减小，须控制在 5%以内 。滑动界面能应避免出现负值，因为负值表示很可能是存在初始渗透，将导致不切实际的接触行为。从图中可以看出，沙漏能和滑动界面能都符合要求。

碰撞过程中吊物的速度、上小车加速度随时问的变化曲线图，如图7所示。从速度-时间曲线可知，整个碰撞过程中，上小车速度逐渐降低直至趋于稳定，并在 200ms左右趋于 0；从加速度-时间曲线可知，加速度在碰撞开始的 1 5ms内迅速增大，最大加速度达到 33g，g为重力加速度，持续时间不超过 3ms。在55ms～65ms内加速度急速降低，随后发生波动，直至减低为 0。

20 40 60 80 lUU l2U l40 l60 I80 2OU时间(ms)(b)图7吊物速度、上小车加速度随时间的变化曲线Fig.7 The Speed and the Acceleration Cues with the Change of Time4结束语采用 Hypercrash软件对某工厂 300t-43m大型箱梁式起重机吊物碰撞刚性支腿过程进行碰茁真。碰撞过程中，碰撞区域、刚性支腿上下端以及柔眭支腿支承铰处出现较大应力集中，碰撞产生最大应力489MPa，局部发生塑性变形。动能在碰撞时向内能转化，沙漏能和滑动界面能符合要求。吊物最大加速度达到33g，上小车的速度在碰撞后迅速下降直至趋于零。在国内研究人员对门式起重机碰撞的理论研究基础上，对吊重碰撞支腿过程进行积极探讨和有限元分析，为门式起重机碰撞安全.生研究提供参考依据。