浅谈ANSYS有限元分析方法在起重机行业的应用

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随着计算机技术的日益普及，计算机工具在提高社会生产力方面发挥了越来越重要的作用，特别是CAE(计算机辅助分析)在工业界的日益成熟和普及，极大地提高了工业设计和生产效率，有限元分析技术已经发展成为CAE的核心。用CAE方法可以减少或避免物理测试过程，通过计算机模拟最恶劣载荷和工况下零件或结构的工作情况，准确地计算其应力应变，使产品在设计阶段就能够对其数学模型的各项性能进行评估，及早发现设计上存在的问题，从而大大缩短设计开发周期。另外，采用有限元分析技术及其优化技术，能够改进结构设计参数，使其在满足强度和刚度的情况下具有最合理的结构。有限元分析技术在应用于新产品开发和老产品改造方面，能够对其强度、应力分布状况进行分析，并对其形状和结构进行优化设计。

起重机作为现代工业生产与起重运输业中必不可少的特种设备之-，目前已广泛应用于铁路交通、钢铁化工、冶金等行业。然而起重机却是大型机械设备中隐藏危险因素最多，发生伤亡事故几率最大的特种设备，特别是冶金用桥式起重机工作频繁，经常满载甚至超负荷工作，且工作环境恶劣(高温、强电磁尝多粉尘)，在运行过程中存在频繁启动和制动操作，因此，在设计及加工上对起重机都应有很高要求。随着有限元分析技术的发展，其在起重机设计中也得到了广泛的应用。目前，利用ANSYS有限元分析软件，对起重机各个结构进行有效的数值仿真，可以达到最佳经济和技术性能指标，其技术已经相当成熟。

2 ANSYS有限元分析软件ANsYs软件的主要功能包括结构分析、结构非线性分析、热分析、电磁分析、流体力学分析、接触分析、压电分析以及多物理场的耦合分析。此外还提供目标设计优化、拓扑优化、概率有限元设计、二次开发技术等先进技术。功能覆盖了几乎所有的工程问题，ANSYS型的分析过程由前处理、求解计算和后处理3个部分组成。

2.1前处理有限元模型是进行有限元分析的计算模型或数学模型，它为计算提供原始的数据〃模是整个有限元分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短及计算过程能否完成，其中建模主要包括以下几步 ：(1)确定工作名和分析标题；(2)设置分析拈；(3)定义单元类型和选项；(4淀义实常数；(5)定必材料性质；(6)lJ建分析几何模型；(7)建立有限元模型；(8)对模型进行网格划分；选择单元的要点包括：(1)对线性结构(应力汾析，建议采用高阶单元；(2)对非线性应力分析，用低阶单元采用较密网格，而不用较粗网格高阶单元，(3)对壳应力分析，四边形比三角形结果要好。

2.2加载及求解224 l科技 博览加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外界之间的相互作用。载荷的含义有：自由度约束位移、节点力(力，力矩)、表面载荷压力、惯性载荷(重力加速度，角加速度)。

可以在实体模型或FEA(有限元分析)模型(节点和单元)上加载 直接在实体模型加载优点是几何模型加载独立于有限元网格，重新划分网格或局部网格修改不影响载荷；同时加载的操作更加容易，尤其是在图形中直接拾取时。但要注意：无论采任种加载方式，ANSYS解前都将载荷转化到有限元模型上。

因此，加载到实体的载荷将自动转化到其所属的节点或单元上。

2.3后处理后处理是将计算所得的结果可视化。ANSYS件的后处理过程包括两个部分：通用后处理拈POSTl和时间历程后处理拈POST26。通过友好的用户界面，可以很容易获得求解过程的计算结果并对其进行显示。这些结果包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等，输出形式可以有图形显示和数据列表两种3.ANSYS有限元分析在起t机行业的应用起重机在运行过程中，要承受各种载荷(如静载荷、动载荷、交变载荷、冲击载荷、振动载荷等)，各承载零件和结构件会产生相应的应力和变形，如果超过-定的限度，就会丧失功能甚至破坏，从而发生安全隐患。起重机在作业过程中，承受载荷的复杂性不仅仅反映在载荷种类的多样性上，而且随着起重机作业的工作状况的不同而表现出多变的特征。载荷是起重机及其组成零部件正常工作受力分析的原始数据，也是零部件报废或事故原因判断分析的依据。

3.1结构静力学分析起重机工作时直接承受巨大的工作载荷，要求有较高的强度，同时由于大车跨距比较大，工作时要求有较好的稳定性，即较好的刚度。因此，对起重机的结构进行静力学分析很有必要。静力学分析主要计算固定不变载荷作用下结构的响应，包括对起重机各承载结构承载后的应力、应变和变形的分析，它们是起重机结构机械性能的-项重要指标，是评判其性能的主要依据之-。对于起重机静力学分析，通常采全端情况，即满载小车位于桥架跨中位置时，观察各承载结构件的静态变形及应力分布规律3.2模态分析起重机在使用过程中载荷变化较大，其工作环境广泛受不同频率和不同振型的振动源等因素的干扰，当自振频率过低，振幅过大，会增大结构动应力，特别是会引起司机身体感觉不适，并产生不安全感，进而影响操作的安全性。因此，有必要对其结构进行模态分析，为合理设计结构和安全使用提供科学的指导。模态分析计算结构固有频率和相应振型，与外载荷无关。按《起重机设计规范>)(GB381I983)对起重机动态特性要求是当小车位于跨中起吊额定载荷，钢丝绳绕组的悬吊长度相当于额定起升高度时，垂直方向的自振频率为动刚度，其值应不低于2Hz[1]。

3.3疲劳分析根据大量统计资料显示，在起重机事故中，最常见、最严重的是以疲劳裂纹为特征的起重机焊接箱型梁结构的疲劳破坏，起重机的箱型主梁结构是其主要的承载构件，而主梁的断裂就意味着整个起重机寿命的终结 因此，对起重机箱型主梁结构的疲劳裂纹扩展规律的研究和箱型主梁剩余疲劳寿命的预测，.-IA(下转226页)应用技术I China science and Technology Review能在空间狭窄、复杂环境、恶劣有害的诚进行作业。因此，国外在清洗作业中都倾向于采用水射流清洗技术，其应用较多的领域有石油、化工、医药、轻工、食品 、冶金、电力等工业部门的各种生产线、管道、换热器、反应器、高压釜、冷却塔、锅炉、汽轮机，交通部门的各类车辆、船舶、高速路面及机场跑道等，机械加工设备及模具的清洗，金属构件除锈、铸件清砂、去毛刺，消除机加工件的残余应力，提高疲劳强度；军事工程中防化洗消、弹药清除，火箭发动机燃烧室壳体的清理等。

2.水射流切割水射流切割技术因其特有的清洁、冷态加工优势得到越来越多的关注和使用。在医学上将纯水射流作为手术刀，进行多项外科手术，切除病体器官，不损伤血管与纤维，可大大降低手术中的出血量。磨料水射流对材料具有极强的冲蚀和磨削作用而不改变材料的物理、力学和化学性质，而且切割作用力孝噪声孝无尘、适应性广。据不完全统计，水射流可以切割材料达500种以上，几乎包括所有应用中的材料纯水型水射流设备主要适用于切割橡胶、布匹、卷纸、木板、织革、泡沫塑料、玻璃、毛织品、地毯、碳纤维织物、纤维增强材料和其他层压材料等。

磨料射流型主要用于切割热敏、压敏，坚硬脆性以及复合型材料，诸如硬质合金、高速钢、淬火钢、白口铸铁、钨钼钴合金、不锈钢、陶器、大理岩等，钢筋混凝土以及表面堆焊硬化层的零件、外包或内衬-种金属和非金属材料的钢质容器等。

水射流切割技术多用于以下行业：如汽车制造与修理业、航天航空耕造业及其加工业、国防、军工、兵器、电子电力工业、石油、采矿、冶金、轻工业、建材、化工、船舶、食品、医疗、林业、市政工程等。

四.采矿工业的煤岩破碎与掘进目前，国内外利用高压水射流进行煤岩破碎与巷道掘进进行了大量研究，并取得了-定成果。而水射流与采煤、掘进及钻孔机械的结合，-种是水射流直接切割或破碎煤岩的采掘机械，如水射流6-tq：钻机、脉冲射流的半煤岩巷道(或煤巷糯进机等；另-种是以刀具(截齿、刨刀及钻头等)破碎煤岩为主，以水射流冲蚀为辅的采掘机械，如水射流气动凿