符敢為，高 勇，井德強

（陜西省特種設備質量安全監(jiān)督檢測中心，陜西 西安 710048）

0 引言

由于大噸位橋機在使用過程中所具有的固有特點，使得主梁上蓋板開門過渡圓角處經常出現裂紋，影響其使用性能。常規(guī)設計中采用解析方法對橋架結構該處截面的應力進行計算，但這種方法不能很好地反映其實際的應力狀態(tài)。對此本文采用有限元分析方法，建立橋架結構的參數化有限元模型，并進行加載、求解，最終得到該處的實際應力狀態(tài)。

1 橋架結構三維參數化有限元模型的建立

1.1 橋架結構的幾何模型及相關參數

本文所選的200t／31m橋式起重機為端梁非鉸接式雙梁橋機［1］，其主要參數如下：

額定起重量（t）： 200；

工作級別 ： A6；

跨度（m） 31；

小車重（t）： 74.7；

小車輪距（m ） 3.7；

小車軌距（m） 6.7。

起重機主梁是橋架結構受力的主要支撐部分，其幾何參數見圖1。

1.2 建立有限元模型

在ANSYS中創(chuàng)建實體模型，采用自底向上的建模方式［2］，即可創(chuàng)建整個橋架結構的完整模型［3］。該橋架結構的材料為Q345，其彈性模量E＝2.06×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度為7.85×10－6kg／mm3。此外通過定義實常數來賦予各個板構件的厚度。選用單元類型為三維殼單元Shell63［4］。對橋架結構實體模型進行網格劃分即可得到所需要的有限元模型。采用的網格大小為200mm［5］，生成的有限元模型如圖2所示。

2 載荷及約束條件的施加

2.1 載荷的確定與施加

作用在橋架結構上的載荷包括垂直載荷和水平載荷［6］。垂直載荷分為移動載荷和固定載荷，均布載荷采用施加重力加速度的方式加載，集中載荷則施加在相應位置的節(jié)點上。水平載荷包括水平移動集中慣性載荷和水平均布慣性載荷，均布慣性載荷采用施加水平加速度的方式加載，集中慣性載荷則施加在相應位置的節(jié)點上。

2.2 約束條件的施加

在大車運行臺車支撐耳板與橋架下蓋板連接處的相應節(jié)點上施加平移自由度約束，即限制X、Y、Z方向的平移自由度。

2.3 求解

選擇前置條件共軛梯度法（PCG）求解器進行求解［7］。

3 計算結果分析

在大車運行制動、小車位于跨端極限位置且滿載下降制動的工況下進行計算，利用ANSYS的后處理功能可以得到該工況下橋架結構的等效應力分布云圖和位移云圖，如圖3所示，主梁上蓋板開門處的應力分布如圖4所示。由圖4可以看出：在該種工況下，上蓋板開門過渡圓角處的應力比較大，原因是此處存在應力集中。運用ANSYS后處理功能中的列表顯示節(jié)點解，得到該處最大等效應力為101.06MPa，小于許用應力。

改變上蓋板開門處過渡圓角半徑進行分析計算，其計算結果見表1。由計算結果可知，隨著過渡圓角半徑的增大，該處最大等效應力逐漸減小。過渡圓角半徑增大的極限狀態(tài)就是矩形門的短邊變?yōu)榘雸A弧，在表1的最后一列給出了這種情況下的計算結果，其等效應力為77.422MPa，為該處的最小等效應力。建議以后在上蓋板開門時，在條件允許的情況下，可以將矩形門的短邊用半圓弧來代替，以此改善該處的應力狀態(tài)。

圖1 橋架結構的幾何參數

圖2 橋架結構有限元模型

圖3 有限元分析結果

改變上蓋板開門處鑲邊厚度進行分析計算，其計算結果見表2。由計算結果可知，隨著鑲邊厚度的增大，該處最大等效應力逐漸減小，但效果不明顯，即便是鑲邊厚度增大為20mm，該處最大等效應力也只減小了10MPa。建議不要通過改變鑲邊厚度來改善該處的應力分布狀態(tài)。

圖4 主梁上蓋板開門處的應力分布

表1 改變過渡圓角半徑的計算結果

改變上蓋板開門尺寸大小進行分析計算。當改變短邊寬度時，計算結果見表3。由表3可以看出，隨著短邊寬度的減小，該處的最大等效應力逐漸減小，短邊寬度最小為310mm時，其最大等效應力僅為19.279 MPa。單獨改變矩形門長邊長度進行分析計算，其計算結果見表4。由表4可以看出，隨著長邊長度的減小，該處的最大等效應力總體趨勢是減小的，當長邊長度為最小310mm時，其最大等效應力為73.252MPa。因此，上蓋板開門時，在條件允許的情況下盡量減小開門尺寸。

表2 改變鑲邊厚度的計算結果

表3 改變短邊寬度的計算結果

表4 改變長邊長度的計算結果

單獨改變開門位置至副腹板的尺寸進行分析計算，其計算結果見表5。由表5可以看出，隨著開門位置至副腹板尺寸的減小，該處最大等效應力有減小的趨勢，但效果不明顯。即便是將開門位置移動至靠近副腹板的極限位置10mm時，最大等效應力為89.725MPa，也僅僅降低了10MPa左右。

單獨改變開門位置至近端大隔板的尺寸進行分析計算，其計算結果見表6、表7?？梢钥闯觯S著尺寸的減小，最大等效應力變化不明顯；隨著尺寸的增大，最大等效應力變化也不明顯。因此，在上蓋板開門位置介于近端梁第一、二塊大隔板之間的前提下，改變蓋板開門位置對其應力狀態(tài)的影響很小。

表5 改變開門位置至副腹板尺寸的計算結果

上面討論的是在大車運行制動、小車位于跨端極限位置且滿載下降制動的工況下，影響上蓋板開門處應力分布狀態(tài)的各個因素，但在小車運行至跨端極限位置時，對于上蓋板開門處，并不是最危險工況。經計算分析小車運行位置距主梁左端為5.926m（此時一組小車輪壓恰好作用在上蓋板開門過渡圓角處）是上蓋板開門處的危險工況，未改變過渡圓角半徑前，該處最大等效應力為165.57MPa，將矩形門短邊改為半圓弧后，該處最大等效應力變?yōu)?16.39MPa，效果明顯。結果顯示，通過單獨調整主梁上蓋板開門處過渡圓角半徑、鑲邊厚度、開門大小和開門位置均可不同程度地改善該處的應力狀態(tài)。在調整過程中可以將幾個影響因素綜合考慮，以便得到最佳效果。

表6 改變開門位置至近端隔板尺寸的計算結果（尺寸減?。?/p>

表7 改變開門位置至近端隔板尺寸的計算結果（尺寸增大）

4 結論

在有限元模型參數化及分析過程程序化的基礎上，分析了主梁上蓋板開門處過渡圓角半徑、鑲邊厚度、開門大小和開門位置對該處應力分布的影響。有限元分析方法極大地提高了設計分析效率，可以拓展到其他工程機械結構件的有限元分析計算中。

［1］徐格寧.機械裝備金屬結構設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［2］鄧凡平.ANSYS 10.0有限元分析自學手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2007.

［3］周長城，胡仁喜，熊文波.ANSYS 11.0基礎與典型范例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.

［4］薛繼忠，易傳云，王伏林.橋式起重機橋架結構的三維有限元分析［J］.機械與電子，2004（8）：12－15.

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