起重机改造中的有限元建模方法

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安全按市蒋 超 江苏省特种设备安全监督检验研究院镇江分院某工厂因生产工艺改变，原来的QD7.5t-16.5m通用桥式起重机已不能满足使用需求，其额定起重量要提高到10t〖虑到经济效益，优先采用改造方案。

其中小车是必须重做的，如果起重机的桥架能够满足强度要求，那就可以节省-笔可观的费用。

该起重机桥架结构为中轨箱形，内部设置有纵向长加筋板，主梁内部还设置有纵向短加筋板。主梁是桥架结构受力的主要支撑部分，其主要的尺寸图及内部筋板的布置如图1所示。整个桥架结构对称，考虑到不同工况下的载荷组合方式不能利用对称性，建立完整的桥架结构的三维有限元模型。

(a)主梁的主要参数 (单位 ：mm)形状 (单位 ：mm) (C)B.B截面形状 (单位 ：mm图1桥式起重机主梁几何尺寸图1桥架结构几何模型及相关参数改造后桥式起重机部分相关参数如下：额定起重量：10t 跨度 ：16.5m小车轮距：1.4m 总重量：19t工作级别：A5 小车重量：3.5t桥架结构采用PRO/E建立三维几何模型，如图2所示。然后利用ANSYS提供的与PR0/E软件的接口程序导人I]ANSYS中，并作-些相应的处理。

图2桥架三维几何模型2建立有限元模型2.1单元分析类型选用单元类型为三维壳单元SHELL63，单元元素由4个节点组合而成，每个节点具有x、Y、Z位移方向及X、Y、Z旋转方向的6个自由度。该单元能较为真实的反应桥架结构的实际承载状况。

2.2常数输入起重机桥架材质为Q235A。主要性能参数及常数分别为：弹性模量 2.1 X 10 MPa，泊松Lu0.3，主梁腹板及下盖板厚度为6mm，其他的板厚为8mm。

2.3网格的划分对桥架结构几何模型的规则面采用映射划分，不规则面则采用自由网格划分，同时对过渡区作相应的处理。网格划分的精度能够保证求解结果尽量精确。整个模型划分的单元总数为1 78360个，节点数为176510个。

3载荷及约束条件的施加载荷的确立按文献 。 考虑了不同载荷组合下的动载系数和冲击系数，按如下两种载荷组合工况对桥式起重机桥架结构进行加载：工况1：小车位于跨中满载下降制动同时小车启动(或制动)，以确定跨中危险截面的最大弯曲应力和最大挠度；工况2：小车位于跨端满载下降制动同时大车启动(或制动)，以确定主梁端部支撑截面上的最大剪应力；考虑大车的制动时，桥架所受到的载荷还包括水平惯性载荷：由满载起升小车引起的集中惯性载荷尸和桥架自身质量引起的均布惯性载荷 。各载荷的计算按文献[1～3确立，其计算结果见表1。

载荷名称主粱均布载荷端粱均布载荷司机室总重量大车运行机构总量小车主动轮最大轮压表1计算结果载荷作用形式表面力表面力集中力集中力集中力小车从动轮最大轮压 集中力载荷大小q0.00823 N/mmq O.00857 N/mmGl5000 N 7500 Np40278 N满 ： 0望的 集中力 p：2030 N 水平惯性力 桥 墨 篓臀 起 均布线载荷 p0.102N/mm 的水平惯性力 卅 执飘 作用位置主粱上表 面，见图3 4端梁上表面见图3、4见圉3、4随工况不同而变化(见图3、4)随工况不同而变化(见图3、4)随工况不同而变化(见图3、4)端梁上表面中心线(见囝3，4)小车轮压和满载小车引起的水平惯性力载荷的作用位置随载荷组合工况的不同而变化，在两种载荷组合工况下的载荷施加示意图如图3、图4所示。

4约束条件的施加和求解以上两种载荷组合工况中，对两端梁的大车轮支撑面处施加全约束，即约束四个支撑面处X、Y、Z方向的平移自由度和旋转自由度。

选用前置条件共轭梯度法 (PCG)求解器进行求解。该方法属于间接迭代求解，适合于大型模型的线性结构分析，具有求解速度快的优点 。

a)竖直方向上的载荷b)水平方向上的载荷图3载荷组合工况1a)竖直方向上的载荷b)水平方向上的载荷图4载荷组合工况25有限元求解结果分析对以上两种工况进行计算，利用ANSYS强大的后处理功能对计算结果进行分析、比较。载荷组合工况1下桥式起重机桥架结构的位移和应力的结果显示如图5、图6、图7所示。

图5工况1下Y方向 (下挠)位移云图安全接市 -- - - - . - - 图6工况1下z方向 (侧弯)位移云图载荷组合工况2主要考虑的是当满载小车位于司机室-端的极限位置时，主梁端部支撑截面上的剪应力。利用ANSYS后处理的列表显示及排序功能，可得到水平方向上最大剪应力SYZ在小车左轮附近位置，其最大剪应力为56.849MPa。以上两种载荷组合工况是桥式起重机在工作过程中桥架结构所受到的最恶劣的承载状况，对其进行强度和刚度分析如下：图7工况1下桥架应力分布云图5.1强度分析由载荷组合工况1和载荷组合工况2的分析结果，主梁中间截面的最大应力 171.528MPa，主梁支撑截面的最大剪应力 56.849MPa，查文献 及由文献 中得0235A许用应力[ 180.5MPa，许用剪应力[f]104.2MPa， ～ <[ ]， <[r]，强度均满足要求。

5.2刚度分析由载荷组合工况1的分析结果，竖直方向最大位移 (下扰) 8 mm，水平方向最大位移 (侧弯)Uzlmm，按文献 可计算得到工作级别为A5的桥式起重机垂直挠度许用值[，] /80021ram，水平挠度许用值 ] /20008mm，故Uy< ]，uz< ]，垂直静刚度和水平静刚度均满足要求；本文按文献 、 以传统力学计算方法对该桥式起重机桥架进行了力学分析，有限元分析方法与传统力学计算方法得出的结果比较见表2。

表2有限元仿真方法与力学计算方法结果的比较工况 载荷组合工况l 载荷组合工况2方法 力最大正应力/MPa 171.53 164 - -最大剪应力/MPa - 56.85 53最大竖直位移(下扰)/ram 8 9 -最大水平位移(旁弯)/ram 1 2 -由此可知，两者求解结果趋向-致；两者之间的差别是由于传统力学计算公式无法对加筋板布置情况进行精确求解以及求解公式本身的近似性所造成的，有限元仿真分析可精确的反应桥架实际的应力大邪分布状况。

6桥架结构分析的结论通过对桥式起重机桥架结构的三维有限元分析，可以得出以下结论：1)该起重机的桥架结构强度和刚度均能满足改造要求。

2)根据应力和变形分布情况，可以得出最大变形位置 (下扰度)出现在跨中靠近小车主动轮位置，最大正应力处于跨中附近上、下盖板纵向对称位置以及跨中上、下盖板与腹板连接位置边缘附近，最大剪应力处于跨端极限位置的截面上；3)对桥架的有限元分析是在理想状况下，即不考虑焊接缺陷和材料 自身缺陷的前提下计算得到的，实际的分析还要考虑焊缝和材料 自身缺陷对承载能力的影响。