管志俊， 張青雷， 郭井寬

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海 200070）

QD250／50／10t－25.5型橋式起重機(jī)由上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠有限公司設(shè)計(jì)制造，該起重機(jī)在實(shí)際使用工況下的強(qiáng)度剛度是水電站安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。為此，應(yīng)用ANSYS10.0有限元軟件，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該型號(hào)橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行了5種工況的仿真分析研究，并結(jié)合張河灣水電站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為主梁安全可靠提供了依據(jù)。

1 起重機(jī)主梁的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

起重機(jī)主梁分為運(yùn)行側(cè)主梁和導(dǎo)電側(cè)主梁，主要由上、下蓋板，左右腹板等50幾種部件焊接而成［1］。運(yùn)行側(cè)主梁和導(dǎo)電側(cè)主梁結(jié)構(gòu)基本相同，在建模和分析時(shí)，考慮運(yùn)行側(cè)主梁的變形和受力。根據(jù)上海起重運(yùn)輸機(jī)械廠有限公司提供的主梁圖紙，建立了主梁三維幾何模型如圖1所示。橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為橋式起重機(jī)的應(yīng)力點(diǎn)布置圖。

圖1 橋式起重機(jī)三維模型

圖2 橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 橋式起重機(jī)應(yīng)力點(diǎn)布置圖

起重機(jī)主鉤額定起重量：Q＝250t；跨度：L＝22.5m；結(jié)構(gòu)形式：雙梁?jiǎn)涡≤?；材料：Q235－B。

2 起重機(jī)主梁有限元模型的建立

由于組成起重機(jī)箱形主梁的各構(gòu)件均滿足徑厚比大、動(dòng)力激勵(lì)在低頻范圍內(nèi)、材料各向異性不嚴(yán)重這3個(gè)條件；因此，它屬于板殼結(jié)構(gòu)［2－4］。將實(shí)際結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為板或殼，既可以滿足精度，又可以節(jié)省機(jī)時(shí)和費(fèi)用，所以建模時(shí)應(yīng)采用板殼單元。另外起重機(jī)主梁屬于小變形范圍，模型中單元越小，計(jì)算精度就越高。綜合上述情況，決定選用板殼單元181（SHELL181）建立有限元模型。根據(jù)鋼板厚度的不同，建立多種實(shí)常數(shù)，主梁材料彈性模量E＝2.1×10－11Pa，材料密度 γ＝7800kg／m3，泊松比μ＝0.3。

有限元分析模型網(wǎng)格劃分如圖4所示，節(jié)點(diǎn)總數(shù)：102412；單元總數(shù)：137569。根據(jù)不同的主梁結(jié)構(gòu)形式和邊界條件，實(shí)際分析時(shí)不同主梁分布方案的網(wǎng)格劃分模型略有不同。

圖4 主梁有限元分析網(wǎng)格模型

3 主梁約束及載荷工況

在分析單根主梁受力情況時(shí)，在支座處，梁端可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，支座約束了梁端X和Y方向的兩個(gè)移動(dòng)自由度。然而，據(jù)實(shí)際觀察結(jié)果，梁端車輪與軌道之間并非完全嚙合，輪軌間數(shù)厘米的寬度差使得整個(gè)梁結(jié)構(gòu)在承載時(shí)可沿X向一定范圍內(nèi)自由移動(dòng)。考慮到梁的對(duì)稱性，可將模型進(jìn)一步優(yōu)化為一端定鉸一端動(dòng)鉸的簡(jiǎn)支梁（如圖5所示），并在主梁端部施加對(duì)稱約束［5－6］。

圖5 主梁約束示意圖

主梁上的載荷分為：固定載荷、移動(dòng)載荷、水平慣性載荷。在靜力學(xué)分析時(shí)，主梁及附件（扶梯欄桿、小車軌道等）自身質(zhì)量作為自重載荷處理，小車質(zhì)量作集中載荷處理。正確確定載荷是保證有限元分析結(jié)果如實(shí)反映工程結(jié)構(gòu)實(shí)際情況的前提。

移動(dòng)載荷：包括小車位置dx；小車輪距BX，B1X；小車計(jì)算輪壓Pj1x；小車計(jì)算輪壓Pj2x；左極限e1，右極限e2。如圖6所示。

圖6 移動(dòng)載荷示意圖

垂直固定載荷：包括單根主梁Gz（均布）；單根軌道Gg（均布）；單邊附件Gf（均布）；電氣自重Gd（中部均布）；電氣分布Ld；單側(cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)自重Gy；單側(cè)運(yùn)行機(jī)構(gòu)位置dy；操縱室自重Gc；操縱室位置dc。如圖7所示。

圖7 固定載荷示意圖

水平載荷：主梁自重的水平慣性力FH（均布）；小車滿載單根主梁的水平慣性力P1H；P2H（位置同移動(dòng)載荷，小車位于跨中時(shí)）；水平載荷在本文的研究未進(jìn)行考慮。

大型橋式起重機(jī)工作狀態(tài)下的受載情況比較復(fù)雜，不同工況下主梁所承受的載荷也不一樣；因此，需要分別進(jìn)行考慮。結(jié)合起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中主梁強(qiáng)度和壽命校核方法，以及在實(shí)際主梁運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，本文針對(duì)張河灣水電站起重機(jī)主梁分析了5種載荷工況，見表1。

表1 起重機(jī)主梁仿真分析方案

4 仿真結(jié)果分析

4.1 主梁運(yùn)行狀態(tài)的應(yīng)力變形分析

主梁運(yùn)行過(guò)程中，整體結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的變形，需要根據(jù)產(chǎn)品的需求在仿真模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)行強(qiáng)度和壽命校核。從仿真結(jié)果可以看出，橋式起重機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)中，主梁將產(chǎn)生一定的應(yīng)力和下?lián)?，由于在小變形范圍?nèi)，屬線彈性，隨著小車負(fù)載的增加，主梁應(yīng)力及變形呈線性分布，規(guī)律基本一致，由于小車位置的變化，主梁關(guān)鍵位置的應(yīng)力變形有所不同［7］，如圖8、9所示。

圖8 小車空載輪壓（dx＝12027mm）主梁變形場(chǎng)

圖9 小車滿載輪壓（e1＝995mm）主梁變形場(chǎng)

4.2 主梁的強(qiáng)度校核

根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)理論，由于該起重機(jī)鋼結(jié)構(gòu)以壓彎變形為主；因此，對(duì)單元的VON MISES等效應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核。此外，本模型的材料均為鋼材，屬?gòu)椝苄越饘俨牧?，其拉伸與壓縮時(shí)的力學(xué)性質(zhì)相同，許用拉應(yīng)力與許用壓應(yīng)力相同；因此，在校核等效應(yīng)力時(shí)可以對(duì)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力取絕對(duì)值統(tǒng)一處理，不必分開校核［8］。

本文分析的各工況等效應(yīng)力分布，模型中由于移動(dòng)載荷處理成集中載荷，所以在軌道上會(huì)產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，區(qū)域內(nèi)VON MISES等效應(yīng)力可能出現(xiàn)不連續(xù)數(shù)值，需要在分析中處理。

本模型分析得出的結(jié)構(gòu)體VON MISES最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁滿載彎板位置，見表2工況5。

表2 主梁最大應(yīng)力及位置匯總表

主梁最大VON MISES應(yīng)力出現(xiàn)在滿載工況，應(yīng)力值為135.39MPa，主梁下游端彎板位置，其應(yīng)力值低于材料的設(shè)計(jì)許用應(yīng)力值（171.5MPa），整體結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，根據(jù)整體分析情況，結(jié)合強(qiáng)度理論，主梁有的地方應(yīng)力偏小，同類型主梁在設(shè)計(jì)階段有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。各標(biāo)定位置在滿載與空載工況應(yīng)力情況如表3所示（本處應(yīng)力數(shù)據(jù)取絕對(duì)值）。

表3 主梁各標(biāo)注點(diǎn)應(yīng)力情況匯總表 MPa

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，主梁運(yùn)行過(guò)程中，端部彎板和蓋板中間為主梁應(yīng)力較大位置，需要在主梁設(shè)計(jì)中給予重視，在后期維護(hù)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.3 主梁剛度的校核

主梁的靜剛度是小車輪壓作用在主梁上產(chǎn)生的垂直和水平方向的位移，其最大值即最大撓度不超過(guò)許用值，由起重機(jī)設(shè)計(jì)理論得出垂直方向的靜剛度

式中，fv許用的靜剛度度值（mm），按下式確定

l為與小車軸距與跨度有關(guān)的數(shù)值（mm）：

在靜載工況下，主要研究主梁結(jié)構(gòu)的位移情況，進(jìn)而進(jìn)行剛度分析。為完成主梁剛度校核計(jì)算，需提取主梁在幾種工況中Y向的最大位移數(shù)值和位置，如表4所示。

表4 主梁Y向最大位移匯總

主梁最大位移出現(xiàn)在滿載工況，Y向位移值為17mm，主梁中間偏下游端位置（模型91486號(hào)節(jié)點(diǎn)），其變形值低于結(jié)構(gòu)的撓度許用值22.5mm，整體結(jié)構(gòu)滿足該起重機(jī)剛度使用要求。

4.4 仿真分析數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比

起重機(jī)的仿真分析數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量應(yīng)力數(shù)據(jù)只有在相同或者十分近似的工況下獲得才有可比性。在該起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)模型的靜態(tài)應(yīng)力分析中，有自重工況、靜載試驗(yàn)工況、滿載工況、非工作工況等，模型分析滿載要有慣性載荷、風(fēng)載荷和大車走偏載荷等。在實(shí)際測(cè)量狀態(tài)不可能實(shí)現(xiàn)，實(shí)際測(cè)量的都是無(wú)風(fēng)或微風(fēng)下的情況，本項(xiàng)目實(shí)測(cè)方法沒(méi)有考慮重力影響，總應(yīng)力采用不同工況疊加辦法，各工況數(shù)據(jù)的對(duì)比就可以作為模型建立準(zhǔn)確性的評(píng)判依據(jù)。主梁關(guān)鍵位置應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比如表5所示。

表5 主梁關(guān)鍵位置應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真分析數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》，重級(jí)工作制和起重量Q＞50t的中級(jí)工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點(diǎn)板之間的T形接頭焊透的對(duì)接與角接組合焊縫，不應(yīng)低于二級(jí)，而角焊縫質(zhì)量等級(jí)一般為三級(jí)，主梁加工中，上下蓋板、主副腹板、端部彎板等總體結(jié)構(gòu)通常采用自動(dòng)焊接，而內(nèi)部筋板、箍、電氣等部件的焊接通常采用人工作業(yè)，從表5中數(shù)據(jù)也可以看出，位于總體結(jié)構(gòu)上的標(biāo)定位置6、7、10、11、16、17、18、19、22、23能夠很好地與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合，而位于主梁內(nèi)部大筋板走道孔箍上的標(biāo)定位置則與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)存在一定差距，但分布趨勢(shì)仍保持一致，出現(xiàn)這一問(wèn)題的原因是由于起重機(jī)主梁內(nèi)部焊縫要求相對(duì)于總體結(jié)構(gòu)較低，對(duì)大筋板上的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，而主梁有限元仿真分析采用的是理想模型，未考慮焊接和安裝工藝對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

4.5 有限元分析模型準(zhǔn)確性判斷

（1）主梁總體靜應(yīng)力結(jié)果

主梁靜應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)中，測(cè)試應(yīng)力與有限元（ANSYS）計(jì)算基本吻合。最大上偏差出現(xiàn)在14號(hào)點(diǎn)位置，見圖10。

圖10 實(shí)測(cè)應(yīng)力和仿真分析應(yīng)力值對(duì)比圖

（2）各結(jié)構(gòu)截面靜應(yīng)力結(jié)果

圖3中A－A截面：小車滿載工況時(shí)，主梁靜應(yīng)力數(shù)據(jù)中，測(cè)試應(yīng)力與有限元（ANSYS）計(jì)算基本吻合。點(diǎn)6、7、12、15位置受壓，點(diǎn)10、11、13、14位置受拉，點(diǎn)6、7、10、11實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)比例系數(shù)在1.05以內(nèi)，而截面內(nèi)其余點(diǎn)應(yīng)力值仿真分析數(shù)據(jù)偏低，但分布性較好。

圖3中B－B截面：小車滿載工況時(shí)，主梁靜應(yīng)力數(shù)據(jù)中，測(cè)試應(yīng)力比較離散，應(yīng)力極值較大，在測(cè)試應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力中均表現(xiàn)出來(lái)，測(cè)試應(yīng)力大于仿真計(jì)算應(yīng)力。

圖3中C－C截面：小車滿載工況時(shí)，測(cè)試應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力整體吻合，但實(shí)測(cè)點(diǎn)19位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值。

（3）結(jié)果分析

由以上有限元模型分析數(shù)據(jù)和實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以得出結(jié)論：本文建立的1901型號(hào)橋式起重機(jī)主梁整體結(jié)構(gòu)的有限元模型相對(duì)應(yīng)實(shí)際應(yīng)用起重機(jī)實(shí)測(cè)工況是準(zhǔn)確的；其分析結(jié)果是正確可靠的；該模型可以作為模擬該起重機(jī)主梁各種工況分析的基礎(chǔ)，從而進(jìn)行各種力學(xué)特性的分析研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文分析了主梁滿載、空載、重力等工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)典型靜力學(xué)公況，分析評(píng)價(jià)了主梁結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度，指出了分析中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，提出了改進(jìn)意見。通過(guò)對(duì)橋式起重機(jī)主梁有限元模型各載荷工況的計(jì)算分析，對(duì)比張河灣水電站工程起重機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，有以下結(jié)果：

（1）在小車滿載輪壓，dx＝12027mm工況，主梁的最大撓度為17mm，約占總長(zhǎng)度的0.75‰，滿足起重機(jī)的剛度設(shè)計(jì)要求。

（2）在小車滿載輪壓，e1＝995mm工況，主梁VON MISES等效應(yīng)力最大值即應(yīng)力值為135.39MPa，小于材料的屈服極限，滿足橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)要求。

（3）同類型主梁結(jié)構(gòu)的端部彎板和上下蓋板、主副腹板的中間位置是需要在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的，在蓋板、腹板、端部結(jié)構(gòu)的焊接與安裝中，需要采用質(zhì)量較高的工藝方法，防止加工后的主梁受力情況惡化，超出許用值，產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。

（4）計(jì)算分析建立的橋式起重機(jī)主梁整體結(jié)構(gòu)的有限元模型相對(duì)實(shí)際起重機(jī)是準(zhǔn)確的；其分析結(jié)果是正確可靠的；該模型可以作為模擬該起重機(jī)主梁各種工況分析的基礎(chǔ)，從而進(jìn)行各種力學(xué)特性的分析研究。

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