蘇文力

(上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司， 上海 200125)

伴隨著經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)的不斷加強(qiáng)，我國(guó)貿(mào)易總量不斷提升，尤其是以港口為重要節(jié)點(diǎn)的國(guó)際進(jìn)出口貿(mào)易繁榮發(fā)展．保證港口的正常高效運(yùn)行，成為保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)較快增長(zhǎng)的前提[1]．

某港口使用的MQ1625門(mén)座式起重機(jī)在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)門(mén)架橫梁和端梁連接處有裂紋，影響到該機(jī)的正常使用．筆者基于ANSYS有限元理論基礎(chǔ)，對(duì)MQ1625門(mén)座起重機(jī)在臂架處于最大幅度起吊額定載荷工況下，對(duì)門(mén)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，通過(guò)對(duì)真實(shí)情況的模擬計(jì)算出門(mén)架的強(qiáng)度、剛度的分布，在此基礎(chǔ)上，以減小門(mén)架橫梁端梁連接處應(yīng)力為目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化．

1 結(jié)構(gòu)載荷計(jì)算

通過(guò)對(duì)多種工況比較，得出的結(jié)論是：當(dāng)門(mén)座起重機(jī)起吊額定載荷，旋轉(zhuǎn)和變幅機(jī)構(gòu)緊急制動(dòng)，考慮工作狀態(tài)最大風(fēng)載荷，臂架處于最大幅度且平行于軌道方向時(shí)，門(mén)架橫梁和端梁連接處處于最危險(xiǎn)狀況，MQ1625整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1．

為了方便分析及減少不必要的工作量，將作用于整機(jī)的外載荷折算到門(mén)架部分，僅選取門(mén)架部分進(jìn)行分析(圖2)．

起重機(jī)最大幅度起吊額定載荷，經(jīng)過(guò)折算，作用于門(mén)架圓筒中心的載荷為：Fx≈106 kN，F(xiàn)y≈1 084 kN，Mx≈8 000 kN·m，My≈1 450 kN·m．

圖 1 MQ1625整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 MQ1625門(mén)架結(jié)構(gòu)受力示意圖

2 門(mén)架結(jié)構(gòu)有限元分析

為了提高門(mén)架橫梁的局部穩(wěn)定性，橫梁中設(shè)置有縱向加強(qiáng)肋和橫向加強(qiáng)筋，縱向加強(qiáng)筋對(duì)橫梁的強(qiáng)度剛度影響較小，建模時(shí)將其忽略．橫向加強(qiáng)肋在實(shí)際焊接中多為非連續(xù)焊接，經(jīng)多次建模計(jì)算比較，建模時(shí)僅設(shè)置大隔板即可．

2.1 在前處理中建立有限元模型

利用ANSYS的參數(shù)化建模技術(shù)建立門(mén)座起重機(jī)的有限元模型[2]．單元類(lèi)型選用板單元shell63，板厚通過(guò)定義單元實(shí)常數(shù)來(lái)設(shè)定．根據(jù)MQ1625門(mén)座式起重機(jī)設(shè)計(jì)圖紙要求，門(mén)架材料為Q235鋼，彈性模量Ex=2.06e11，泊松比μ=0.304，密度ρ=7 800 kg/m3．建模過(guò)程采用自下而上的方式，建立門(mén)架有限元模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分．完成后的有限元模型如圖3所示．

圖 3 MQ1625門(mén)架有限元模型

門(mén)架結(jié)構(gòu)有限元模型是在不影響計(jì)算精度前提下的簡(jiǎn)化模型，模型的重量小于門(mén)架的實(shí)際重量，在施加載荷時(shí)需要對(duì)門(mén)架自身重量進(jìn)行補(bǔ)償．目前多采用以下補(bǔ)償方法：質(zhì)量補(bǔ)償、密度補(bǔ)償和重力加速度補(bǔ)償．門(mén)架模型采用密度補(bǔ)償法．

2.2 在求解器中加載和求解[3]

2.2.1定義分析類(lèi)型和施加約束分析類(lèi)型為static，沿軌道方向端梁后兩個(gè)支點(diǎn)施加除沿垂直軌道方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束外的其他約束，前兩個(gè)支點(diǎn)施加除沿軌道移動(dòng)方向的移動(dòng)約束以及沿垂直軌道方向的轉(zhuǎn)動(dòng)約束外的其他約束．

2.2.2施加載荷載荷施加在橫梁圓筒中間的節(jié)點(diǎn)上．采用MASS21單元?jiǎng)澐株P(guān)鍵點(diǎn)，然后將劃分后的節(jié)點(diǎn)和圓筒上的節(jié)點(diǎn)耦合形成剛性平面，使得施加在節(jié)點(diǎn)上的力傳遞到門(mén)架上．

2.2.3施加重力載荷施加Y方向上的重力加速度9.8 m/s2．所有載荷加上后，執(zhí)行求解運(yùn)算．

2.3 查看結(jié)果

門(mén)架應(yīng)力分布云圖如圖4所示．

圖 4 MQ1625門(mén)架應(yīng)力應(yīng)變分析

從圖4中可以看出，主梁的最大應(yīng)力在橫梁和端梁的連接位置，最大應(yīng)力值為167.632 MPa．與實(shí)際過(guò)程中門(mén)架出現(xiàn)裂紋的位置一致．

3 門(mén)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)橫梁和端梁連接處應(yīng)力值較大的特點(diǎn)，依據(jù)材料力學(xué)原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，結(jié)合ANSYS有限元分析軟件和cad軟件，對(duì)門(mén)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在門(mén)架橫梁和端梁的連接位置增加鋼板來(lái)減少原設(shè)計(jì)中的應(yīng)力集中現(xiàn)象．修改設(shè)計(jì)后的門(mén)架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5．

圖 5 MQ1625門(mén)架優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)修改后的門(mén)架系統(tǒng)建立新的門(mén)架結(jié)構(gòu)．

圖 6 MQ1625門(mén)架優(yōu)化設(shè)計(jì)有限元模型

對(duì)優(yōu)化后的門(mén)架進(jìn)行ANSYS分析，加載求解，查看應(yīng)力結(jié)果如圖7．

圖 7 MQ1625門(mén)架優(yōu)化設(shè)計(jì)分析結(jié)果

對(duì)于門(mén)座起重機(jī)，根據(jù)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，應(yīng)按第Ⅱ類(lèi)載荷組合進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，即起重機(jī)正常工作條件下的最大載荷[4-6]．彈塑性材料許用應(yīng)力為σ=σs/ns，其中σs為材料的屈服極限，ns為材料的安全系數(shù)(第二類(lèi)載荷組合時(shí)取ns=1.4)．門(mén)架結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼材，許用應(yīng)力σ=167.857 MPa．MQ1625門(mén)座起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)的最大合成應(yīng)力為167.632 MPa，接近材料許用應(yīng)力值，結(jié)構(gòu)不安全．優(yōu)化設(shè)計(jì)后的門(mén)架結(jié)構(gòu)的最大合成應(yīng)力為140.195 MPa，結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求．

從門(mén)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖看出，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的門(mén)架結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化平緩，各點(diǎn)沒(méi)有產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中，故結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理．

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)MQ1625門(mén)座起重機(jī)門(mén)架結(jié)構(gòu)的分析，建立了由板單元shell63組成的有限元模型，得出了該結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力、變形的特征，并且進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)ANSYS分析得出，優(yōu)化后的門(mén)架結(jié)構(gòu)更加安全合理，為該類(lèi)型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改造提供了參考．

[參考文獻(xiàn)]

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