寧朝陽,徐 娟
(湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機械工程系,湖南 長沙 410000)
對金屬結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計,已經(jīng)成為現(xiàn)代機械設(shè)計中很重要的組成部分。與此同時,為了更好地安全評估結(jié)構(gòu)優(yōu)化后產(chǎn)品的安全性能,有限元分析技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中,同樣得到了廣泛應(yīng)用。由于起重機在許多工況條件下受力非常復(fù)雜,而采用傳統(tǒng)的計算方法,往往很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果,設(shè)計人員出于對起重機安全考慮,在許多情況下,不得不加大其安全系數(shù),致使在制造時浪費許多材料,并在一定程度上,增加了基建費用。因此,針對橋式起重機金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究顯得尤為重要。
橋式起重機作為物料搬運機械,其主要由橋架金屬結(jié)構(gòu)、小車、大車運行機構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等部份組成。橋架金屬結(jié)構(gòu)承受著橋吊自重及外載荷。企業(yè)目前常見的電動橋吊橋架金屬結(jié)構(gòu)受載情況如圖1所示,主梁截面如圖2所示。
圖1 橋式起重機橋架結(jié)構(gòu)和受載簡圖
圖2 主梁截面結(jié)構(gòu)簡圖
結(jié)合目前起重機自重偏大的特點,橋架金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計以總質(zhì)量為設(shè)計指標(biāo),主粱是橋架的核心,其總質(zhì)量主要決定于截面結(jié)構(gòu)尺寸。主粱主要由蓋板、腹板和加勁板焊接而成。在優(yōu)化設(shè)計中的設(shè)計變量由腹板高、左右腹板間距、蓋板厚度、腹板厚度以及重量較大的加勁板厚度構(gòu)成。通過設(shè)計計算得到橋式起重機優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)表達式:
作為起重機骨架,橋架約束指標(biāo)主要從強度、剛度、穩(wěn)定性方面進行考慮,同時,滿足起重機設(shè)計制造規(guī)范(包含制造工藝要求的邊界條件)。典型約束條件包括:正應(yīng)力約束,剪應(yīng)力約束,靜剛度,動剛度約束等,以正應(yīng)力約束為例,其它約束公式此處略。
采用ALGOR作為有限元分析工具,通過對典型橋架金屬結(jié)構(gòu)進行多工況靜力、動力分析,及時發(fā)現(xiàn)問題,并反饋給設(shè)計人員,為設(shè)計人員進行修改工作提供設(shè)計依據(jù)。以公司180/50T橋式起重機優(yōu)化后的金屬結(jié)構(gòu)安全評估為例,其金屬橋架結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示,主梁截面結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖3 180t橋吊橋架結(jié)構(gòu)簡圖
圖4 偏軌主梁截面結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)該180/50T鑄造吊金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及受力特點,在3D模型的基礎(chǔ)上建立有限元模型,采用板元和體元,整個金屬結(jié)構(gòu)使用427 270個節(jié)點,網(wǎng)格劃分數(shù)量為323 780。邊界條件中載荷分析考慮金屬結(jié)構(gòu)的自重載荷、小車的自重載荷和起升載荷等,慣性載荷分布比例為0.355。對大車運行車輪與軌道實施約束,采取主動輪一側(cè)剛性固定,從動輪一側(cè)采取鉸接處理的方式,最終得到圖5所示的有限元分析模型。通過有限元分析計算,得到剛度及應(yīng)力情況:主梁最大應(yīng)力為215 Mpa,端梁最大應(yīng)力為57 Mpa,主梁最大變形為27 mm,如圖6所示;動剛度計算,一階頻率6.26 Hz,二階頻率6.65 Hz,三階頻率6.87 Hz,四階頻率6.89 Hz,其一階頻率模態(tài)如圖7所示。對照起重機設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)手冊,該橋架的強度、靜剛度和動剛度均滿足要求。
圖5 有限元分析模型
圖6 橋架應(yīng)力分布
圖7 一階頻率模態(tài)圖
通過嚴謹?shù)钠鹬貦C結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)性研究,一個更加合理的優(yōu)化設(shè)計程序形成了。采用經(jīng)過驗證后的程序來優(yōu)化橋式起重機結(jié)構(gòu),在滿足其性能要求的情況下,起重機性價比得到較大提升,金屬結(jié)構(gòu)自重減輕了15%,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。
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