劉建英，劉 軍

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 鄭州 451191)

隨著起重機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的設(shè)計試驗方法已不能滿足設(shè)計試驗的要求.本文通過三維形式對80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行了設(shè)計并進(jìn)行了仿真[1-5]，這樣可以在樣機(jī)制造之前發(fā)現(xiàn)問題，節(jié)約制造費用，還可以通過模擬仿真得到所有節(jié)點的應(yīng)力值，為起重機(jī)的設(shè)計試驗提供更合理的數(shù)據(jù).

1 柔性支腿建模

本文所選擇的80tonX58mH35M門式起重機(jī)的最大起重量為80 t，跨距為58 m，用SolidWorks三維建模軟件構(gòu)建模型[6-17]，所有尺寸嚴(yán)格按照圖紙要求進(jìn)行繪制.柔性支腿由10根不等邊角鋼、29個隔板和隔板框、4個鋼套和其他一些零件焊接而成，不等邊角鋼和板材材料均為Q345.柔性支腿模型如圖1所示.

2 柔性支腿模型的簡化

80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，該模型不能直接進(jìn)行有限元分析，需要在建立數(shù)學(xué)模型時對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化.柔性支腿的結(jié)構(gòu)組成包括板材、不等邊角鋼等實體，對于板材來說提取面就可以了，不等邊角鋼可以不做處理.

簡化后的柔性支腿曲面模型如圖2所示.

圖1 柔性支腿模型Fig.1 Modle of the flexible leg

圖2 柔性支腿簡化曲面模型Fig.2 Simplification curve modle of the flexible leg

3 用SolidWorks Simulation對起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行分析

對柔性支腿的分析選擇2種類型的算例：靜態(tài)和屈曲.靜態(tài)分析是為了分析其強度和剛度，屈曲是為了對柔性支腿進(jìn)行穩(wěn)定性分析.首先對柔性支腿進(jìn)行靜態(tài)分析，然后進(jìn)行穩(wěn)定性分析.

圖3 柔性支腿橫梁單元編輯接點Fig.3 Beam cell compile junction of the flexible leg

3.1 柔性支腿靜態(tài)分析

3.1.1 柔性支腿靜態(tài)分析步驟

關(guān)鍵步驟有創(chuàng)建算例、定義材料、添加約束、施加載荷和劃分網(wǎng)格.

第一步，創(chuàng)建新算例，選擇靜態(tài)類型.

第二步，編輯接點組，所選橫梁類型為所有，結(jié)果如圖3所示.

第三步，連接.

第四步，柔性腿的一側(cè)與大車車輪軸相切的2個圓面采取“固定鉸鏈”的方式，如圖4所示.另一側(cè)的2個圓面則不施加“固定鉸鏈”約束，而對此側(cè)底部的4條邊線施加“使用參考幾何體”約束，如圖5.這樣做是為了在起重機(jī)受到載荷作用時，使下端梁也起到傳遞力的作用.

圖4 固定鉸鏈約束Fig.4 Fixed hinge restrain

圖5 使用參考幾何體約束Fig.5 Appliance reference geometry restrain

第五步，施加載荷.載荷施加范圍如圖6所示，載荷大小為主梁自重的一半、上小車和下小車的重量、起重機(jī)的起重量(上小車和下小車位于柔性腿端極限位置)三者之和.主梁自重的一半為94 t，40TX2上小車為35 t，40T下小車為17 t，起重量為80 t，共計226 t.

圖6 施加載荷范圍Fig.6 Load infliction range

第六步，劃分網(wǎng)格，如圖7所示.此網(wǎng)格為混合網(wǎng)格，包括實體單元、殼單元和梁單元.柔性支腿較座上的4個鋼套劃分為實體單元，所有的鋼板劃分為殼單元，不等邊角鋼劃分為梁單元.

圖7 柔性腿網(wǎng)格劃分Fig.7 Reseau partition of the flexible leg

3.1.2 靜態(tài)分析結(jié)果

靜態(tài)求解結(jié)果如圖8和圖9所示.圖8為靜態(tài)應(yīng)力圖，圖9為靜態(tài)位移圖.

圖8 柔性腿靜態(tài)應(yīng)力圖Fig.8 Static stress diagram of the flexible leg

圖9 柔性腿靜態(tài)位移圖Fig.9 Static displacement diagram of the flexible leg

圖10 柔性支腿屈曲分析Fig.10 Flection analysis of the flexible leg

柔性支腿的最大應(yīng)力為70.288 224 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強度345 MPa；最大靜態(tài)位移為3.284 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)，但是此設(shè)計不太合理，在很大程度上浪費了材料.

3.2 柔性支腿的屈曲分析

之所以對柔性支腿進(jìn)行穩(wěn)定性即屈曲分析，是因為柔性支腿屬于細(xì)長桿結(jié)構(gòu)，在受壓時可能發(fā)生失穩(wěn).進(jìn)行屈曲分析的所有設(shè)定均和靜態(tài)分析一樣，唯一區(qū)別就是分析的類型不同.屈曲分析的具體過程由于篇幅所限省略，分析結(jié)果如圖10所示.

載荷因子BLF 值為3.865 9，在大于1的范圍內(nèi)，所以設(shè)計符合要求.

4 結(jié)論

針對起重機(jī)試驗的現(xiàn)狀，本文提出了利用SolidWorks結(jié)合Simulation對80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行三維建模和空間受力分析，從而在一定程度上代替實際工程試驗并突破其局限性的方法.利用計算機(jī)輔助工程分析方法對80tonX58mH35M門式起重機(jī)柔性支腿進(jìn)行試驗仿真研究，為設(shè)計開發(fā)起重機(jī)及其重要結(jié)構(gòu)件提供了豐富的信息，解決了樣機(jī)試驗中存在的問題.

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