50t桁架门式起重机结构系统有限元分析

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Finite element analysis of 50t truss gantry crane structure systemLIU Zhang-hong，PAN Ya-jia，LI Hong-gen桁架门式起重机的桁架门式结构是-个多次超静定的结构，若采用传统方法设计，计算量大、设计精度不高、操作烦琐且容易出错。本文主要运用传统力学方法对50t桁架门式起重机金属结构系统各部分的主要参数以及工作载荷进行计算，利用大型有限元分析软件ANSYS建立三维模型，对其进行强度、刚度和模态分析，最后结合传统校核方法对起重机的强度刚度及稳定性进行校核计算。

1 50t/lOt桁架门式起重机主要性能参数主钩起重量50t，电葫芦起重量10t；主梁跨度40m，总长43.8m(无悬臂 )；小车与主钩滑轮组重量4.762t；小车轮距2.1m，小车轨距2.5m；起升高度14m；结构工作级别E4；各机构工作级别M6；大车轮距9m；结构材料Q235；计算风压250Pa；工作速度： 2.6m/rain， 、车30m/min，V，30m/min。

2 起重机有限元模型的建立利用ANSYS建立起重机的有限元模型。为了便于建模计算，对受力不大的次要部分如栏杆、焊接辅助件、螺栓、主从动箱体以及小车等予以简化。简化后的模型主要为主梁的上下弦杆、主梁腹杆 、支腿 、支腿横撑、斜撑、T型框架、托梁等部分。有限元模型见图1。

图1 起重机有 限兀模型2.1 有限元模型单元的选择桁架门式起重机结构主要由杆单元和梁单元组成。杆单元的主要变形为轴向变形，选用LINK8单元主要用于腹杆体系。梁单元可以模拟支柱和横梁，模型中主要是弦杆、支腿和托梁等，选用BEAM4单元，需要输入实常数。

2.2 模型的建立建立有限元模型时需进行以下多项工作：[收稿日期]2012-08-07[通讯地址]四川省成都市二环路北-段111号西南交通大学机械工程学院CONSTRUCTION MACHINERY 201 3 2 83设计计算l吣刚＆c u(1)定义单元类型； (2)定义实常数 ；(3)定义材料力学参数：弹性模量，泊松比，钢材密度，钢材密度要根据模型计算自重进行密度补偿； (4)建立模型； (5)划分网格； (6)施加位移边界条件：刚性支腿约束x、Y、z方向的位移及旋转 自由度，柔性支腿约束 、Y、z方向的位移自由度； (7)施加载荷：重力加速度值为正；起升载荷：分为静载荷和动载荷，作用于小车轮压处；风载荷：作用于上下弦杆及支腿的节点处；主梁及支腿的惯性载荷ACELZ0.162m/s ，小车及吊重的惯性载荷分配到小车的4个轮压处； (8)求解； (9)观察结果。

3 模型结果分析3.1 模型静刚度分析起重机桁架的静刚度能够反映桁架变形的大小，其主要由自重和移动载荷决定。许用静位移f 1 ：50ram。由图2知，沿Y方向的最大下挠800度为[f]48.793mm<[ ]，结构刚度满足要求。

a跨中位置若考虑小车轮压，进行校核：图2 小车位于跨中时沿y轴静刚度3.2 模型强度分析BEAM4需定义单元表，在单元表中所需的数据为SX，SMAXI，SMAXJ，SMINI，SMINJ。表1为进行强度校核时需要提取的计算数据。

表1 3种工况条件下应力分析数据l 小车位置工况 左极限 跨中 右极限l最大应力值/MPa 87.575 154.299 94.162在跨中以及左右极限位置的应力云图如图3所示。

b右极限位置 C左极限位置图3 小车位于各工况下应力图可按以下公式对节中和节点 通过模型分析及计算 ，若不考虑小车轮压，- O'My ]ANSYS提取的数据为o-m ： -N 怖 ：SMAX 式中 N： SX，后两项根据截面参数计算得出。

84 建筑机械 201 3.2(上半月干lJ小车各个位置工况下的应力均小于许用值；考虑小车轮压后各工况应力仍小于许用值，满足强度要求。

33 模型杆件局部稳定性分析表2 杆件在各工况最大应力值 MPaI 上弦杆 主梁腹杆 支腿弦杆 支腿腹杆l 154.299 134.27 94.938 38.709上弦杆及腹杆 、支腿弦杆和腹杆的局部稳定性进行了计算，得出各杆件的应力值均小于表2中的最大应力值 ，所有杆件的局部稳定性校核均通过。

3.4 模型长细比分析，按公式 ≤l l进行长细比校核计算，根据 --各杆件的截面参数，各杆件长细比校核通过。

3.5 模态分析模态特性分析是动力响应计算及其它动态分析的基矗运用ANSYS软件模态分析可以得到结构的固有频率和相应振型，以避免外力频率与结构固有频率相同或者接近而发生共振现象。

模态分析步骤包括建模、加载，加载过程中应将轮压转变为质量单元 (MASS21)；选取求解方法，获得结果；扩展模态，观察结果。

表3 小车位于跨中时主梁固有频率阶数 频率/Hz 说明第-阶 1.107 横向水平振动第三阶 1.942 纵向水平振动第五阶 2.145 垂直振动由图4、图5、图64，车位于跨中时的振动位移云图，得到主梁固有频率如表3所示。根据起重机设计规范，在满载隋况下，门式起重机小车位于跨中时的垂直方向自振频率范围为2Hz≤f<4Hz。由ANSYS有限元分析得出，该门式起重机在垂直方向上的固有频率为第五阶自振频率2.145Hz，满足动态性能要求。

图4 第-阶横向水平振动位移云图图5 第三阶纵向水平振动位移云图图6 第五阶垂直振动位移云图[