参照斜拉桥特点的门式起重机结构改进及有限元分析

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斜拉桥又称斜张桥，它是将主梁用拉索直接拉在桥塔上的-种桥梁，其作用是减小梁体内弯矩，降低梁的高度，减轻整体结构的重量，节省梁的用材。本文依据斜拉桥的特点，参照斜拉桥的结构形式对某双梁门式起重机 (以下简称门机)的结构进行改进。

1 门机的主要性能参数额定起重量 50 t，跨度 41.6 in，有效悬臂长12.5 in，小车轮距2.8 in，门架自重221 t，起重小车重量 20.5 t。

2 建模过程2.1 模型的单元组成为准确模拟实际结构，模型的单元选择如下：1)对于箱型梁，金属结构主要是卞的形式，通常选择壳单元 SHELL63建模。

2.2 整体建模过程本门机采用国际单位 in (米)进行建模。总体的建模过程：1)在前处理器拈进行设置单元的实常数，材料的特性，泊松比及材料密度，进入建模部分；2)在整体笛卡尔坐标系中，模型的主梁长度方向作为 向，竖直方向作为Y向，大车轨道方向作为 向；3)考虑到该门机结构在门架平面的对称性，只需先建立门架的二分之-模型，然后镜像得到整个门架模型；4)采用壳单元建立门架结构模型，给模型的各个面附上相应的实常数 (即箱型结构的各钢板所设定的板厚)；5)进行模型的网格划分。

2.3 处理模型的关键技术1)模型网格划分 进行网格划分前，需确定合理网格数量，在保证精度的条件下尽量实现最佳经济性。具体操作：用网格尺寸 划分网格，计算；用上-次网格尺寸的-半 (0.5L)划分网国家自然科学基金资助项目 (51175442)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 (2010ZT03)、国家质检总局科技计划项 目(2010QK302)《起重运输机械》 2013(2)格，计算。对比两种不同网格卞的计算结果，若差别很小，可以直接用网格大小 L进行计算，若差别较大，则认为 网格尺寸 L过大，这 时，将0.5L作为第-次的网格尺寸。同样的方法，用上- 次 网格的-半 (0.25L)划分网格，计算，比较，直至两次计算结果相差较校从经济上考虑，采用倒数第二次划分的网格尺寸。

2)铰接处 自由度耦合 该门机柔性支腿处采用铰接的连接方式。支腿相对主梁是有转动自由度的。为尽量模拟真实情况，这里采用在里外成对的耳板中心建立质量点，以质量点为中心点建立耳板的刚性区域，然后以耳板为中心点对各个支腿单独耦合。耦合时，限制耳板 UX，uY，UZ，ROTX，ROTY，保证耳板之间可以绕 Z轴旋转，从而模拟了柔性支腿处的铰接结构。

3 考虑啃轨的支腿约束边界约束的模拟是结构分析中的重要环节，必须遵循以下原则：1)要有足够的约束 施加约束时-定要保证整个结构是静定的或超静定的，非静定的结构在有限元中不能求解。

2)不得出现约束不足 避免结构承载力的连续性遭到破坏。

3)不得有多余约束 避免结构产生实际不存在的附加约力，从而使结果失真。

该门机大车运行机构支撑整个门架结构，支腿下端底面与大车相接触，这里对门机支腿下端面进行面约束。

对支腿下端面合理的约束方式主要需考虑的是门机大车运行机构在运行过程中是否会发生啃轨现象。整个门机的大车运行机构在运行过程中不发生啃轨的条件是：支腿下端面的 向变形小于大车车轮轮缘与大车运行轨道之间的间隙，或者大车车轮与大车轨道的最大摩擦阻力大于支腿下端的水平 向侧向力。

利用 Ansys对门机在门架平面内按简支原则进行约束，计算得出当小车位于门架跨中和有效悬臂端时，支腿下端面 方向变形均小于大车车轮与轨道之间的间隙。因此，对该双梁门式起重机在门架平面内按简支原则进行约束。

- 66 - 4 考虑轮压的加载方式根据起重机设计手册规定，小车钢轨的固定方式大体分为压板式和焊接式两种。

压板式就是利用压板使钢轨下表面和主梁上表面相互贴合，允许轨道与主梁之间产生细微的相对滑移，轨道与主梁没有成为-个整体，所以轨道对起重机金属结构的刚度和强度影响很小，可以忽略。

焊接式就是将钢轨直接焊在主梁上翼缘板上表面，使钢轨和主梁成为-个整体，因此需要考虑轨道对主梁的影响。

为尽量模拟实际载荷情况，实现精确加载，就需考虑小车轮压的局部影响。在偏轨箱梁情况下，轨道铺设在主腹板正上方，可把轨道视为弹性基础上的梁，基础系数沿轨道长度方向相同，测得的载荷分布符合按弹性基础梁理论求得的近似三角形分布。工程上，取小车轮压通过轨道传递给主梁上翼缘板的载荷分布情况为均布。在集中轮压作用下，腹板上的压力分布长度 z1计算式为：C式中：C为系数，对焊接梁和轧制型钢梁 c取 3.25；In为轨道和翼缘板对 自身轴的惯性矩之和 (压板式)；6为腹板的厚度。

加载时，认为载荷在以车轮为中心左右对称的长度为 z的长度线上均匀分布。在 Ansys中，具体操作是先将压力分布长度的区域确定出来，将载荷平均分成几个载荷点，分别加载于对应的点。这样既实现了载荷均匀分布又避免了加载点出现集中应力。

本双梁门机的采用压板式轨道，据前面的分析，Ansys建模中取消了轨道，载荷直接作用于主梁主腹板上方的上翼缘板上。

这里轨道型号是 QU70，查起重机设计手册，其惯性矩 ， 1 082×10 mm ，腹板厚度为 10mm，上翼缘板对自身轴的惯性矩为：bh /121 485 X 14 /123.4 X 10 mm ，计算得c -o-34 m。

《起重运输机械》 2013(2)5 门机结构有限元分析5.1 基于悬臂挠度的有限元可信度验算斜拉杆作用在有效悬臂端，不考虑支腿，将拉杆和主梁约束处全约束，理论模型和有限元模型分别见图 1和图2。

图 1 理论模型图 2 有限元模型有效悬臂处挠度的理论计算表达式为：WB WB1WB2， 0.5GfL-1.4) 3L-fL-1.46EI[1Ah L /(3IL；)]WB：6EI 1 3IL l A /( ；)l式中： 是有效悬臂的长度，h是立柱的高度， 是拉杆的长度，A是拉杆的截面积，G是单根梁的吊重，，是主梁 自身的转动惯量，E是弹性模量〖虑车轮的位置，将载荷分成图 1中的载荷作用情况。L 、 ：分别是车轮轮压作用点对应的悬臂长度处。

具体为：h6.2 m；E2.1×10 Pa；，0.075 4 m ； L 12.5 m； L1L2 1.4 m ；A 0.009 6 m ；G352 500 kN；L3/(h L )；计算得出该模型下挠度的理论值0.006 7 11。

按照完全相同的条件，采用有限元模型的计算结果为0.006 55 m。

考虑到模型上微小的简化，这里可认为理论计算和有限元计算结果吻合。

《起重运输机械》 2013(2)5.2 结构静力学分析门架结构改进前、后有限元模型分别见图 3、图4。

图 3 改进前的模型图4 改进后的模型拉杆分别以两侧支腿为中心，左右对称布置。

拉杆作用点距离支腿中心的距离是有效悬臂长度，取为 12.5 m。

由于门机支腿为-刚-柔，整个 门架左右两侧沿跨中不对称，因此，需分别计算小车位于左右两侧有效悬臂端时的强度。所 以，门机共需考虑刚度 2种，强度 6种，8种危险工况，动载系数取 1.1。

将不同载荷情况用下面的字母代替： ：小车位于门架跨中；A：：小车位于门架刚性支腿侧有效悬臂端；A ：小车位于门架柔性支腿侧有效悬臂端；B ：不考虑门架 自重；B ：考虑门架 自重；B ：无门架惯性力；C ：大车静止；C：：大车制动；D ：小车满载静止；D：：小车满载制动；E ：无风载荷。

对应工况如下：工况 1：A1，B1，B3，Ek；工况 2：A3，B1，B3，Ek；工况 3：A1，C1，D2，B2；工况 4：A1，D1，C2，B2；工况 5：A3，C1，D2，B2；工况 6：A3，Dl，C2，B2；工况7：A2，C1，D2，B2；工况8：A2，DI，C2，B2。

改进前后门架结构强度、静刚度有限元计算结果对比分别见表 1、表2。

- 67 - 表 1 门架结构强度有限元计算结果最大应力/MPa 改善量工况改进前 改进后 /%3 98 93 5.104 102 95 6.865 179 121 32.46 180 122 32.27 239 11O 54.08 235 110 53.2表2 门架结构静刚度有限元计算结果位移/mm 改善量工 况改进前 改进后 ，%1 23. 4 23.3 0.43 跨中处'38.1 26.5 30.45 有效悬臂处6 结论通过改进前后计算结果的对比，得出结论：主梁刚度越弱，斜拉杆的作用越明显。

应用在实际中：主梁截面-定时，门机跨度越大，加斜拉杆对结构的改善作用越明显；有效悬臂越长，加斜拉杆对结构的改善作用越明显。

参照这个思路，通过加斜拉杆来优化主梁受力情况，反过来指导主梁的轻量化设计。