徐香香

摘 要：文章以某港口改造的門座式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)為計(jì)算模型，按照《歐洲起重機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范》利用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算，為整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。改造后的門座式起重機(jī)改變了部分結(jié)構(gòu)，減輕了整機(jī)重量，降低了經(jīng)濟(jì)成本，適應(yīng)了新的工作環(huán)境。

關(guān)鍵詞：門座式起重機(jī)；有限元計(jì)算；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；載荷組合

該門座起重機(jī)是專為修、造船配套的起重機(jī)設(shè)備。文章以其為主要研究對(duì)象，利用ANSYS10.0對(duì)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，完成了不同工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。

1 門座起重機(jī)的組成

門座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其主要由大車行走機(jī)構(gòu)、門架、轉(zhuǎn)盤、機(jī)器房、人字架、臂架系統(tǒng)等組成。大車行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)的運(yùn)行，轉(zhuǎn)盤實(shí)現(xiàn)起重機(jī)臂架的回轉(zhuǎn)，纏繞系統(tǒng)和臂架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)貨物的升降，起重機(jī)的帶載變幅等動(dòng)作。

1-大車行走機(jī)構(gòu) 2-門架 3-轉(zhuǎn)盤 4-機(jī)器房 5-人字架

6-纏繞系統(tǒng) 7-臂架系統(tǒng) 8-主鉤 9-副鉤

圖1 門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 門座起重機(jī)的載荷種類

2.1 固定載荷 SG

固定載荷即為起重機(jī)的自重載荷，包括金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)械裝置、電氣設(shè)備以及配重等。

2.2 額定起升載荷 SL

額定起升載荷指總起升質(zhì)量的重力。

2.3 慣性載荷。由水平運(yùn)動(dòng)加速或減速引起的慣性載荷，可以用加速度值來進(jìn)行計(jì)算。

SH=ac×（SG+SL）

式中，ac-運(yùn)動(dòng)部分對(duì)應(yīng)的加速度。

2.4 側(cè)向載荷。當(dāng)兩個(gè)車輪沿一根軌道偏斜行走時(shí)，應(yīng)考慮垂直于軌道的水平力所形成的力偶。

SK=■？姿P中，？姿-側(cè)壓力系數(shù)，取決于跨距與基距之比；P-受側(cè)向力作用側(cè)的起重機(jī)走輪上的最大總輪壓。

3 模型建立

該起重機(jī)模型運(yùn)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算?？紤]到各部分結(jié)構(gòu)形式和受力情況的不同，建模過程中采用了4種單元類型：梁?jiǎn)卧狟eam44、管單元Pipe16、桿單元Link8以及質(zhì)量單元Mass21。

3.1 Beam44單元

Beam44具有拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲功能的單軸單元。該起重機(jī)的端梁、橫梁、機(jī)器房底座和部分人字架采用的是箱型梁與工字梁結(jié)構(gòu)，這些部件都采用的Beam44單元類型。

3.2 Pipe16單元

Pipe16是一個(gè)軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲單元。該起重機(jī)的門架、部分人字架和臂架系統(tǒng)采用的是Pipe16單元類型。

4 起重機(jī)載荷工況組合

4.1 起重機(jī)工作狀態(tài)

4.1.1 臂架上仰27°、45°、58°、78°，同時(shí)起重機(jī)正常工作。

4.1.2 臂架水平，臂架下俯13°處于錨定狀態(tài)，起重機(jī)不工作。

4.2 工況組合

該起重機(jī)的工況組合分為無風(fēng)工作工況、有風(fēng)工作工況和暴風(fēng)工作工況。如果行走運(yùn)動(dòng)只是為了調(diào)整起重機(jī)作業(yè)位置，而不是經(jīng)常用于搬運(yùn)貨物，不考慮側(cè)向力的影響。各種工況下的載荷分別如下：

無風(fēng)工作工況

有風(fēng)工作工況

暴風(fēng)工作工況

5 有限元法的計(jì)算原理

在文章的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，ANSYS采用變分學(xué)和最小勢(shì)能原理進(jìn)行求解。以一端固定一段自由梁為例。其總能量可用拉格朗日函數(shù)L表示。

（*） 則其泛函數(shù)為 ，

由拉格朗日函數(shù)可知，L是？棕和w"的函數(shù)，即L=L（？棕，w"），？棕-為彈性梁的撓度。

其最小勢(shì)能可用變分泛函數(shù)表示：

令？啄？仔=0，即可求出極值。

因?yàn)?？啄w為任意函數(shù)，所以■=0，（■）=0，這兩項(xiàng)為彈性梁的邊界條件，第三項(xiàng)即為彈性梁的平衡方程。所以平衡方程為■+（■）"=0，把（*）式代入，得

q+EIw""=0

由推理過程可知，泛函數(shù)和平衡方程是等價(jià)的。首先假設(shè)一組符合于邊界條件的試調(diào)函數(shù)，并將其代入能量方程式中，再對(duì)試解函數(shù)的各個(gè)系數(shù)作微分，令之為零，找出能量方程式的最小值，最后解得試解函數(shù)的各個(gè)系數(shù)。其中可以利用三角函數(shù)、冪函數(shù)等作為試解函數(shù)。

6 整機(jī)計(jì)算結(jié)果及分析

6.1 許用應(yīng)力的規(guī)定

該起重機(jī)主結(jié)構(gòu)制造材料為Q345B，其許用應(yīng)力為：[？滓]=■，？滓s=345MPa，n為安全系數(shù)。無風(fēng)工況下的許用用力為230MPa；有風(fēng)工況下的許用應(yīng)力為259.4MPa；暴風(fēng)工況下的許用應(yīng)力為313.6MPa。

6.2 各個(gè)工況下的應(yīng)力分布

計(jì)算結(jié)果中顯示，工作工況在78°是出現(xiàn)最大應(yīng)力213.238MP，位于變幅鋼絲繩和臂架的連接處；非工作工況在-13°時(shí)出現(xiàn)最大應(yīng)力240.704MP，位于轉(zhuǎn)盤和臂架的連接處，如圖2所示。

7 結(jié)束語

（1）在用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算時(shí)，要全面考慮載荷組合及作用方式，尤其是作用力很大但是合力為零的載荷，如鋼絲繩的預(yù)緊力等。（2）在實(shí)際工作中起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)受力比較復(fù)雜，使用有限元軟件ANSYS就可以較好的模擬起重機(jī)在各種工況下的真實(shí)應(yīng)力情況，大幅度提高整體結(jié)構(gòu)可靠性及安全性。但是ANSYS是個(gè)分析工具，對(duì)于具體的實(shí)際情況還是需要借助力學(xué)知識(shí)進(jìn)行分析。（3）通過計(jì)算結(jié)果可以得到模型的應(yīng)力分布以及各節(jié)點(diǎn)力，可通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如調(diào)整結(jié)構(gòu)板厚以及配重的質(zhì)量，使得金屬結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布最優(yōu)化，使得結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡量輕巧的同時(shí)又能滿足結(jié)構(gòu)可靠性的要求。

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