馮建平，鄭玉卿，方永蘭，楊軼平，魯立中

（1.湖州市特種設備檢測中心，浙江湖州 313000；2.湖州師范學院工學院，浙江湖州 313000）

基于Hypermesh10.0固定式起重機結構仿真模型構建研究*

馮建平1，鄭玉卿2，方永蘭1，楊軼平1，魯立中1

（1.湖州市特種設備檢測中心，浙江湖州 313000；2.湖州師范學院工學院，浙江湖州 313000）

根據(jù)單臂架固定式起重機結構幾何設計特征，基于Solidworks建立三維裝配體模型并導出為stp格式文件，將其導入Hy?permesh10.0后，采用多種網(wǎng)格單元類型，建立了一個可直接計算的固定式起重機整體結構FEA仿真模型，目的是為了實現(xiàn)固定式起重機在多工況作業(yè)下更真實的運動仿真和關鍵結構強度校核。

固定式起重機；單元類型；Hypermesh；仿真模型

起重機設計計算過程中，結構強度、剛度校核方法對起重機械結構作眾多簡化處理缺點，而且理論強度校核結果也往往使起重機用戶無法直觀、準確、全面地了解起重機受載各部件在復雜工況下的應力應變分布情況，用戶很難針對這類設備的復雜工作狀況和使用狀態(tài)提出有效的維護措施，降低了固定式起重機設備的運作效率和工作壽命。有限單元法在機械強度校核中的應用日益增加，利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS、MARC）建立大型起重機承載結構的力學計算模型，對起重機全面強度校核計算成為了可能，設計人員不僅能完成起重機主要承載構件的強度、剛度校核，而且計算獲得的各類應力應變云圖也使得起重機主要承載構件在復雜工況下的應力應變分布變得一目了然。目前，對于固定式起重機整體結構仿真模型的構建方法論述還較少[1]。

本文選取一臺柔性拉索變幅單臂架固定式起重機作為研究對象，使用Hypermesh10.0軟件全面介紹了整體結構仿真模型的構建方法，最終得到一個可用于多工況動態(tài)仿真計算的有限元結構模型。

1 三維裝配體的建立

1.1 概況

單臂架固定式起重機是港口、碼頭用于裝卸集裝箱或散貨的理想裝卸設備，通常也應用于大型船廠或船塢，主要承擔大型鋼結構件施工任務和大批貨物的裝卸，本文選取GQ1613為研究對象，它是一臺正處于服役期的小型固定式起重機，變幅機構采用柔性拉索，通過鋼絲繩索補償平衡方式實現(xiàn)起吊貨物水平移動，還可實現(xiàn)帶載全幅度回轉(zhuǎn)變幅作業(yè)，起重機整機結構示意圖如圖1所示。

圖1 GQ1613主要結構示意圖

整個固定式起重機在工作受載狀態(tài)下的應力應變分布情況，需要使用有限元力學仿真分析為該起重機關鍵結構的定期點檢和日常維護提供技術支撐。

1.2 固定式起重機三維模型建立

打開Solidworks軟件，首先選擇合理的基準面上進行草繪，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)和陣列等特征命令生成基體。再在基體上運用拉伸、旋轉(zhuǎn)、切剪、掃描、抽殼、陣列等特征操作，不斷對固定式起重機主要承載結構進行建模，直至達到有限元力學分析要求。建模時可通過“編輯草繪”和“智能尺寸”對Solidworks自動賦值的尺寸進行結構修改，實體模型也會隨著尺寸的變化而實現(xiàn)再生。裝配時，當零件裝配體的空間位置與機械零部件的空間位置不一致時，須采用變換位置方法來調(diào)整裝配體的距離和旋轉(zhuǎn)角度來實現(xiàn)裝配，最后結合固定式起重機主體結構的受力分析要求，建立固定式起重機三維實體模型如圖2所示[2-3]。

圖2 固定式起重機關鍵結構裝配體模型

2 有限元仿真模型建立

2.1 單元類型選擇

固定式起重機受載部件主要有鋼絲繩索、桁架式臂架、基座、轉(zhuǎn)臺、人字架、配重和支撐圓筒結構等組成[4]。其中，臂架主體部分由四根主弦桿和大量小腹圓桿焊接而成，主體部分以弦桿焊接在支座板，并與臂架上的支座連接，材料是熱軋無縫鋼管Q235A，以同樣的方式與臂架頭部滑輪組支座板連接，底部與轉(zhuǎn)臺上的基座鉸鏈連接，基座由鋼板焊接而成，局部加強位置焊有凸緣和筋板。根據(jù)臂架結構的受力及結構特點，減少整體計算規(guī)模，采用shell63單元，模型尺寸單位均取mm，單元邊長10～20 mm之間，總共劃分為99 429個單元焊接部位均采用節(jié)點連接，螺栓采用CP_STRUC單元（節(jié)點耦合單元）模擬，若CP_STRUC單元有獨立的節(jié)點，必須施加一個Mass21單元，否則計算就無法進行，如圖3所示[5]。

圖3 臂架有限元模型

因臂架底部基座和轉(zhuǎn)臺固定基座由于受力較大，為了更好模擬其受力情況，采用Solid92二階單元劃分，兩基座的中間均在1D面板下用rig?id命令建立各自CP_STRUC，然后在CP_STRUC中間Master節(jié)點上各配置一個mass21單元，然后利用replace命令讓兩個Mass21的坐標一致，切記此處不能勾選equivalence，然后在Mass21單元上建立一個局部坐標系，利用這兩個共坐標的mass21單元建立MPC184-revolute單元來模擬兩者之間鉸鏈連接，如此可實現(xiàn)基座之間相互轉(zhuǎn)動，如圖4所示。

轉(zhuǎn)臺、人字架和支撐圓筒結構均是板狀焊接結構件，所以均采用shell63單元，焊接部位采用點-點連接或CP_STRUC單元來實現(xiàn)力傳遞，配重主要采用Mass21單元均勻施加于轉(zhuǎn)臺配重所在位置的周邊殼體單元節(jié)點上，如圖5所示。

圖4 基座鉸鏈連接模型

圖5 轉(zhuǎn)臺、人字架、支撐圓筒和配重模型

起重機的變幅鋼絲繩和滑輪組在起重機工作時不斷轉(zhuǎn)動的，但是對于某一實際靜載工況下，它們之間是靜止不動的，在強度校核過程中若要考慮運動過程的影響也可以通過對最大載荷乘以動載系數(shù)來仿真校核，所以可以省略滑輪組的繪制，鋼絲繩采用Link180桿單元來模擬，該單元具有拉壓、僅拉、僅壓的三種功能，可以通過改變單元的參數(shù)屬性來實現(xiàn)所需的功能，特別要注意Link180單元在僅拉和僅壓情況，Ansys必須打開非線性分析選項（即SolutionLarge displacement static）才能計算，建議每根繩子采用一個Link180單元來模擬，切忌采用多個Link180單元串聯(lián)起來模擬一根鋼絲繩，如此整體結構變形過大導致程序終止運算，它等價于彈簧串聯(lián)導致剛度大幅下降?？紤]到該固定式起重機主要是受載情況下的整體結構強度校核，不存在鋼絲繩壓縮過程，故選用拉壓和僅拉功能均可以。至此，整個固定式起重機有限元仿真模型構建如圖6所示，其中shell63單元126980個， solid92單元66599個，Mass21單元 286個，Link180單元 8個，CP_STRUC單元404個，MPC184_revolute單元2個[6]。

圖6 固定式起重機整體結構FEA仿真模型

2.2 單元屬性和邊界條件

模型結構設計材料大部分為Q345-A，且采用線彈性分析模型，Q235材料屬性參數(shù)設定為：密度ρ=7.85E-9ton/mm。楊氏模量E=2.06e5MPa，泊松比μ=0.30，全局設置重力加速度9.8E+3mm/s2。在臂架上端部施加載荷力為73 500 N，結合固定式起重機結構的正常工況可知，整個焊接臂架可以繞臂架與轉(zhuǎn)臺上的鉸軸處旋轉(zhuǎn)，除此之外沒有其他運動，故須在支撐圓筒底部平面的所有殼體單元節(jié)點上施加六個自由度全約束，整個模型的邊界條件設置如圖6所示。

3 結論

（1）基于Solidworks的拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、抽殼、拔模以及特征陣列、異型孔等功能操作選擇，可以實現(xiàn)對整個起重機的所有零部件三維建模和裝配，完成三維數(shù)字化模型是實現(xiàn)整體結構仿真模型構建和力學分析的關鍵一步。

（2）基于Hypermesh10.0進行大型起重機整體結構建模時，有時會存在不同單元類型的網(wǎng)格劃分要求，需要運用1d、2d、3d模板下的單元新建、平移、復制、旋轉(zhuǎn)、查找、更新等命令組合實現(xiàn)多種網(wǎng)格剖分，針對不同零部件的承載狀況、結構特點和運動關系選擇合理的單元類型來建立整個仿真模型，以實現(xiàn)真實再現(xiàn)工作受載過程，這需要工程人員具有一定的CAE分析經(jīng)驗。

［1］肖浩，徐竹銘.基于ANSYS的固定式起重機臂架結構有限元分析［J］.湖北工業(yè)大學學報，2010，27（5）：29-32.

［2］吳高陽.SolidWorks2010有限元、虛擬樣機與流場分析從入門到精通［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［3］陸國賢.門座起重機設計［M］.北京：人民交通出版社，1985.

［4］GB/T 3811-2008.起重機設計規(guī)范［S］.

［5］李楚琳.HyperWorks分析應用實例［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［6］徐寶松，顧沖時，彭妍.基于HyperMesh軟件的復雜結構有限元建模［J］.中國科技論文在線，2011，01（367）：1-5.

Construction Research of Fixed Crane Structure Simulation Model Based on Hypermesh10.0

FENG Jian-ping1，ZHENG Yu-qing2，F(xiàn)ANG Yong-lan1，YANG Yi-ping1，LU Li-zhong1
（1.Huzhou Special Equipment Inspect Center，Huzhou313000，China；2.Engineering School，Huzhou Teachers College，Huzhou313000，China）

Based on the geometric features of the fixed crane with single frame，it used software Solidworks to build a three-dimensional assembly model and exported it to a stp file.Then importing assembly into Hypermesh10.0 and using a variety of element types to build a FEA simulation model including fixed crane overall structure，which can be delivered to direct calculation.The purpose is to achieve more realistic motion simulation and critical structural strength check for a fixed crane operation under multiple loading conditions.

fixed crane；element type；Hypermesh；simulation model

TP391.9

：A

：1009－9492(2014)11－0069－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.019

馮建平，男，1968年生，浙江湖州人，大學本科，高級工程師。研究領域：機電類特種設備檢驗檢測。

(編輯：向 飛)

*浙江省質(zhì)量技術監(jiān)督系統(tǒng)科研計劃類項目（編號：20130367）

2014－05－13