基于Ansys Workbench起重机多层卷绕卷筒结构研究

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Abstract：The finite element analysis for multi-layer winding drum of crane is performed based on Ansys Workbench，compared with traditional method，and then the local stress state is obtained，which is difcult to analyze by traditionalmeods.This method provides reference for structural research and structure improvement of drums for la e·tonnage，highlifting height cranes。

Keywords：crane；multi-layer drum；structural analysis；Ansys Workbench目前，桥、门式起重机主要采用双联单层卷绕卷筒，在室内其体积偏大的弊端就显露无疑。

在这种情况下 ，多层卷筒有着明显的优势。本文在论述卷筒设计时，利用有限元分析软件 An。

sys Workbench协同仿真平台，对所建模型进行有限元分析 ，并根据分析的结果与卷筒传统计算方法进行比较，为提高卷筒设计水平提供有益参考1 卷筒受力分析对于单层卷绕的卷筒而言，卷筒承受的外载荷主要来 自钢丝绳对卷筒的拉力和缠绕在卷筒表面的钢丝绳对卷筒的紧箍力。作用在卷筒上的外载荷有：1)钢丝绳在卷筒上缠绕时对卷筒的紧箍作用使卷筒筒壁产生周向压应力和局部弯曲应力，该应力是影响筒壁强度的重要因素；2)钢丝绳拉力引起卷筒的弯曲应力，该应力随钢丝绳缠绕位置不同而变化，具有瞬变效应，由于弯矩较小，在强度计算时通常忽略不计；3)由钢丝绳拉力产生在筒壁上的扭矩而引起中央高校基本科研业务费专项资金资助 (2010ZT03)- 56 - 的剪切应力，由于起重机上常用的卷筒-般直径较大，抗扭能力较强，使该扭矩产生的筒壁剪应力较小，通成忽略不计。

而对于多层卷绕的卷筒而言，除考虑上述外载荷之外，还要考虑的因素有：4)钢丝绳对端侧板产生的轴向推力，此力是计算端侧板强度的主要外力；5)外层绳对内层绳的减载作用，在绳圈拉力作用下，筒壁产生径向弹性变形，使绳圈紧度降低，钢丝绳拉力减小；6)多层卷绕的紧箍力叠加，多层卷绕时，卷筒外层绳圈的箍紧力压缩下层钢丝绳，使各层绳圈的紧度降低，钢丝绳拉力减小，筒壁压应力不与卷绕层数成正比。

2 卷筒约束条件在卷筒设计过程中，约束条件包括强度条件约束、结构的几何条件约束、自变量上下限约束。

其中，强度条件约束又包括卷筒壁强度约束和卷筒端侧板强度约束。

《起重运输机械》 2012(12)2.1 卷简筒壁强度约束 ]卷筒在钢丝绳拉力作用下，产生压缩、弯曲和扭转剪应力，其中压缩应力最大。卷筒筒壁最大压应力出现在筒壁的内表面，其压应力。 ·A2 ≤仃式中： 为卷筒壁压应力 ，S.ax为钢丝绳最大静拉力， 为卷筒壁厚，P为绳槽节距或绳索卷绕的螺旋节距 ，A 为应力减小系数，A 为多层卷绕系数，or。为许用压应力。

在卷筒筒壁计算过程中，当 ≤3D时，弯曲和扭转的合成应力不超过压缩应力的 10% -15%，只计算压应力即可。当L>3D时，要考虑弯曲应力。对尺寸较大，壁厚较薄的卷筒还需对卷筒壁进行抗压稳定性验算。其中由弯矩产生的拉应力 ax≤ (2)式中：M 为由钢丝绳最大拉力引起卷筒最大弯矩， 为抗弯截面模量，O'bp为许用拉应力。

卷筒拉、压应力的合成应力 P P c≤ b (3)2.2 卷筒侧板强度约束 J多层缠绕卷筒在工作时，每当钢丝绳缠绕至卷筒端部最后-圈，并 向新的-层过渡时，在这个过渡圈内，因钢丝绳对端侧板的楔入作用而产生轴向推力。其结果是使端侧板产生弯曲，并在端侧板与卷筒过渡处产生复杂的应力。轴向推力主要影响筒壁的弯曲应力，距离端侧板越远，其影响也越校对于多层缠绕端侧板轴向推力：1.145Sne加。。 f4)式中：Js为钢丝绳额定拉力， 为钢丝绳缠绕层数，e为自然对数的底，e2.718。

根据弹性卞理论，在计算卷筒端侧板强度时，根据实际情况作如下假设：1)端侧板为内周边固定、外周边 自由的弹性圆板；2)端侧板推力简化为沿某-圆周方向作用的《起重运输机械》 2012 I 12)均布集中力，其大小在圆周方向上为常量，径向方向为变量；3)忽略受载后筒壁变形对端侧板的影响。

经过简化，同时考虑结构尺寸、应力、载荷等因素的影响，端侧板强度dB。(S/h )≤[or] (5)式中：h为端侧板厚度， 为综合影响系数。

3 卷筒的有限元分析3.1 卷筒计算参数根据起重机设计规范，结合某桥式起重机的实际工作环境，对该卷筒进行初步的设计，其主要技术参数见表 1。

表 1 卷筒特性参数额定起重量 Q/t 75 钢丝绳直径 dmin/mm 20额定起升高度H/m l1O 钢丝绳卷绕节 p/mm 22起升工作级别 M3 钢丝绳最大静拉力Sm/kN 70卷筒材料 16M1 钢丝绳缠绕层数 n 6滑轮组倍率 l2 卷筒壁厚6/ram 27卷筒底径 D0/ram 540 端侧板高度 ho/ram 150卷筒长度 L/ram 2 400 端侧板厚度 h/mm 203.2 卷筒实体建模Ansys Workbench是集有限元建模、前后处理、分析于-体，并能与多种工程分析软件连接的协同仿真分析平台。其中，Design Modeler拈是基于 CAD的建模思想，有着独特的几何建模及参数修改功能，其使用界面与目前流行的三维 CAD软件相似，与经典Ansys界面相比，增加了其可视化效果。Design Modeler拈与 Mechanical结构分析拈能实现无缝链接，避免了由传统 CAD三维复杂模型导人分析拈时出现的模型失真。因此，本文直接在Design Modeler拈中建立卷筒三维实体模型。由于要研究卷筒的整体应力状态， 故采用实体模型，根据初设的计算参数，在 AnsysWorkbench中建立卷筒模型，见图 1。

3.3 单元网格划分由于卷筒端侧板与卷筒轴在建模过程中连为- 体，但卷筒轴并不是研究的重点。在单元网格划分前，通过切片功能将端侧板与轴切割开，以- 57 - . . ：”)l00 300图3 卷筒等效应力云图1.8 的推导，其最大应力为 215.94 MPa，该应力值小于材料16Mn的许用应力 (240 MPa)。而在非影响区，其最大应力为202.05 MPa左右。

图4 卷筒壁内外应力曲线3)根据对卷筒端侧板应力曲线进行分析，见图5，在端侧板上远离侧板根部的应力较小，而越接近侧板根部，侧板应力急剧增加。在卷筒传统设计中，设计人员-般只根据经验、工艺条件和用类比的方法进行端侧板的设计，往往只考虑侧板的根部应力来决定侧板的厚度，而忽略了侧板整个的应力分布，对在远离根部位置的材料造成了较大浪费。应力分析结果及与传统计算值的比较见表 3。

图 5《起重运输机械》卷筒端侧板应力曲线2012(12)表 3 传统计算值与有限元分析值的比较相差比 项目 传统计算值 有限元分析值/%板、筒结合 233. 11 MPa 232.91 MPa 0.O9处应力卷筒壁最大 影响区：215.94 MPa220.96 MPa 2.27应力 非影响区：202.05 MPa集中力位置 148.23 mm 150 mm 1.195 结论1)通过对某工况下的桥式起重机卷筒进行有限元建模和计算，对其整体强度进行了分析，卷筒结构满足设计要求。利用传统设计方法设计的结构，在整体上能够满足要求，但缺乏局部结构的分析，导致在设计过程中以偏概全，对材料造成较大的浪费。通过利用 CAD和 CAE集成软件，在设计过程中，对产品进行分析，有助于产品结构的优化。

2)利用有限元法对卷筒结构进行分析，其结果比常规的解析法更准确、可靠，同时可以获得解析法难以分析的局部区域应力分布，如卷筒端侧板与筒体的结合处、卷筒筒壁集中应力影响区，而这些区域往往又是危险部位，有限元分析的结果可为实际设计提供参考。