王紅霞，王紅勤

（1.河南工學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；2.廣州大學(xué) 華軟軟件學(xué)院，廣東 廣州 510990）

四連桿門座起重機(jī)作為一種典型的旋轉(zhuǎn)類型起重機(jī)（CAD模型如圖1所示，實(shí)物如圖2所示），被廣泛應(yīng)用于港口、碼頭貨物的裝卸，造船廠船舶的施工與安裝及大型水電站建壩工程中。金屬結(jié)構(gòu)在門座起重機(jī)的總重量中占有很大的比重，約占70%，金屬結(jié)構(gòu)的大小對(duì)起重機(jī)零部件的尺寸和重量、能耗、軌道基礎(chǔ)和安裝等費(fèi)用都有很大的影響，因此如何減輕金屬結(jié)構(gòu)的重量顯得尤為重要。立柱及平衡系統(tǒng)在四連桿門座起重機(jī)正常工作的過(guò)程中扮演著重要的角色，為了使門座起重機(jī)正常的工作，同樣必須把立柱及平衡系統(tǒng)也設(shè)計(jì)好。有限元ANSYS做為一種結(jié)構(gòu)分析軟件，被廣泛地應(yīng)用于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中來(lái)。相對(duì)于以前傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，有限元分析更直接地把結(jié)構(gòu)件各個(gè)截面的應(yīng)力和位移表示出來(lái)，這是傳統(tǒng)的以力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的半理論半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法所不能比擬的。

文章利用有限元分析軟件對(duì)MQ4030四連桿門座起重機(jī)的立柱及平衡系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力及位移分析，通過(guò)應(yīng)力云圖和位移云圖，來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)還可以大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高整機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1 四連桿門座起重機(jī)CAD模型圖

圖2 四連桿門座起重機(jī)實(shí)物圖

1 立柱及平衡系統(tǒng)簡(jiǎn)介

MQ4030四連桿門座起重機(jī)的立柱及平衡系統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)包括立柱、平衡梁及小拉桿。立柱采用的是箱形結(jié)構(gòu)，材料為Q345B的鋼板，立柱與下面的轉(zhuǎn)臺(tái)直接焊接；平衡梁采用的也是箱形結(jié)構(gòu)形式，材料為Q345B的鋼板，平衡梁支撐在立柱頂部橫梁上，平衡梁前端與拉桿通過(guò)鉸接相連，平衡梁的尾部設(shè)有活配重箱；小拉桿采用的是管子結(jié)構(gòu)，材料為Q345B的無(wú)縫鋼管，小拉桿通過(guò)鉸接與臂架及平衡梁相連。

2 有限元模型的建立

利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行應(yīng)力與位移分析時(shí)，首先要正確地建立有限元模型。由于在工程實(shí)際當(dāng)中，實(shí)物都比較復(fù)雜，在建立有限元模型的時(shí)候有必要進(jìn)行簡(jiǎn)化。立柱及平衡系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)都是由鋼材焊接而成，在建模的過(guò)程當(dāng)中忽略焊接的影響，認(rèn)為焊縫都是符合要求的；把轉(zhuǎn)臺(tái)、組合臂架系統(tǒng)等視為剛體，立柱及平衡系統(tǒng)的變形與轉(zhuǎn)臺(tái)、組合臂架系統(tǒng)等無(wú)關(guān)，把立柱及平衡梁系統(tǒng)作為起重機(jī)的一部分拿出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行分析；鋼板及無(wú)縫鋼管材質(zhì)都認(rèn)為是均質(zhì)，沒(méi)有制造偏差。

根據(jù)以上簡(jiǎn)化的原則，在有限元分析軟件ANSYS中對(duì)立柱及平衡系統(tǒng)進(jìn)行建模，并選取合適的單元進(jìn)行受力模擬。①立柱及平衡梁屬于箱形結(jié)構(gòu)，故采用Shell63單元來(lái)進(jìn)行模擬。Shell63單元的每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有6個(gè)自由度即沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)和沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；②平衡系統(tǒng)中的小拉桿屬于管子結(jié)構(gòu)，故采用Beam188單元模擬，Beam188是三維線性2節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧總€(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度即節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系的X、Y、Z方向的平動(dòng)和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

立柱及平衡系統(tǒng)的有限元模型如圖3所示。立柱及平衡梁系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)采用的材料均為Q345B，材料的彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.85×10-6kg/mm3。

圖3 立柱及平衡梁系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)有限元ANSYS模型

3 工況及組合載荷的施加

3.1 工況的確定

四連桿門座起重機(jī)工作幅度比較大工況比較復(fù)雜，通常計(jì)算需要考慮以下9個(gè)典型受力工況進(jìn)行綜合分析：工況1，工作幅度為30m，起重量為25t，貨物側(cè)擺角度為12°，風(fēng)垂直于臂架，單根鋼絲繩上的拉力F=9.66×104N；工況2，工作幅度為30m，起重量為25t，貨物側(cè)擺角度為8.4°，貨物外擺角度為7°，風(fēng)平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=9.62×104N；工況3，工作幅度為30m，起重量為25t，貨物外擺角度為 10°，風(fēng)平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=9.59×104N；工況 4，工作幅度為24m，起重量為40t，貨物側(cè)擺角度為12°，風(fēng)垂直于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.32×104N；工況5，工作幅度為24m，起重量為40t，貨物側(cè)擺角度為8.4°，貨物外擺角度為7°，風(fēng)平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.27×104N；工況6，工作幅度為24m，起重量為40t，貨物外擺角度為10°，風(fēng)平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.32×104N；工況7，幅度為10m，起重量為40t，貨物側(cè)擺角度為12°，風(fēng)垂直于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.32×104N；工況8，幅度為10m，起重量為40t，貨物內(nèi)擺角度為10°，風(fēng)平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.23×104N；工況9，幅度為10m，起重量為40t，貨物側(cè)擺角度為8.4°，貨物外擺角度為7°，風(fēng)平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.27×104N。

3.2 計(jì)算載荷與約束

限于篇幅的限制，文章僅以工況1為算例來(lái)進(jìn)行分析。根據(jù)作業(yè)情況，對(duì)立柱與轉(zhuǎn)臺(tái)焊接處施加相應(yīng)的位移約束，即約束住沿坐標(biāo)系X、Y、Z軸的平動(dòng)和沿坐標(biāo)軸X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。立柱及平衡系統(tǒng)所受的力包括：①由組合臂架剛性拉桿所提供的拉力NL；②由變幅機(jī)構(gòu)中齒條或螺桿傳來(lái)的軸向力SP；③由活動(dòng)配重對(duì)變幅平衡梁的作用力NZ；④立柱及平衡系統(tǒng)的自重PGR；⑤臂架對(duì)小拉桿的拉力FN；⑥由起升繩在導(dǎo)向滑輪上的合力（壓力）SQ；⑦超載限制器支座的作用力SC；⑧立柱及平衡系統(tǒng)所受的風(fēng)載荷PWR；⑨立柱及平衡系統(tǒng)所受的慣性力PrR?，F(xiàn)建立如圖4所示的坐標(biāo)系，計(jì)算載荷的具體處理方案為：①組合臂架剛性拉桿施加給立柱的水平方向的力NLX=1.93×106N，豎直方向的力NLY=1.25×106N，繞Z軸的彎矩MNL=-2.37×109Nmm；②由變幅機(jī)構(gòu)中的齒條或螺桿傳給立柱水平方向的力SPX=1.86×105N，豎直方向的力SPY=-4.62×104N，繞Z軸的彎矩MSP=-1.78×108Nmm；③活動(dòng)配重對(duì)變幅平衡梁的作用力NZ=NY=-5.1×105N；④計(jì)入起升沖擊系數(shù)影響的立柱及平衡系統(tǒng)自重載荷PGR以重力加速度的方式施加，起升沖擊系數(shù)ψ1=1.51（抓斗工況），重力加速度為g=9800mm/s，故施加的加速度為a=1.51×9800=14798mm/s；⑤臂架對(duì)小拉桿水平方向的拉力FNX=8.58×105N，臂架對(duì)小拉桿豎直方向的拉力FNY=-7.2×105N；⑥起升繩在導(dǎo)向滑輪上的壓力水平方向上的分力SQX=2.0×105N，在豎直方向上的分力SQY=-1.89×105N；⑦超載限制器支座的作用力在水平方向上的分力SCX=4.29×104N，在豎直方向上的分力SCY=-0.87×104N；⑧立柱及平衡系統(tǒng)所受的其他力PWR、PrR相對(duì)于其他力來(lái)說(shuō)比較小，在這里忽略不計(jì)。 立柱及平衡系統(tǒng)所受載荷及約束如圖5所示。

圖4 坐標(biāo)系

圖5 立柱及平衡系統(tǒng)所受載荷及約束圖

4 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述計(jì)算工況和約束條件對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖6～圖8所示，立柱及平衡系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為211.7MPa，金屬結(jié)構(gòu)所用材料為Q345B，材料的屈服強(qiáng)度σs=345MPa，根據(jù)GB/T3811-2008規(guī)定，取安全系數(shù)n=1.34，所以材料的的許用應(yīng)力［σ］=σs/n=257MPa，所以立柱及平衡系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足材料許用應(yīng)力的要求；立柱與平衡系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)最大位移為50mm，金屬結(jié)構(gòu)的許用撓度［f］=65mm，所以立柱及平衡系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)剛度同樣也滿足規(guī)范要求。

圖6 立柱及平衡系統(tǒng)整體應(yīng)力分布圖

圖7 立柱及平衡系統(tǒng)應(yīng)力局部放大圖

圖8 立柱及平衡系統(tǒng)整體位移分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在建模的過(guò)程當(dāng)中對(duì)立柱及平衡系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，不可避免會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，所以用有限元軟件分析出來(lái)的應(yīng)力要比工程實(shí)際當(dāng)中的偏大。限于篇幅的限制，這里僅僅列舉了一種工況，其他各種工況經(jīng)過(guò)有限元的分析，應(yīng)力和位移同樣是滿足規(guī)范要求。

（2）對(duì)立柱及平衡系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析的結(jié)果，進(jìn)一步驗(yàn)證有限元ANSYS做為一種金屬鋼結(jié)構(gòu)的分析軟件，能夠比較精確的分析金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與剛度，為理論計(jì)算提供一種比較方便快捷的校核方法；并且有些金屬結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，很難通過(guò)手算計(jì)算出來(lái)，有限元計(jì)算軟件ANSYS就很好地彌補(bǔ)了手算的不足。同時(shí)根據(jù)金屬結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖和位移云圖，可以清楚地找到各個(gè)位置的應(yīng)力和位移，為立柱及平衡系統(tǒng)金屬鋼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，從而更好地提高整機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］孫楓，張振雄，余賀元，等.港口起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］張質(zhì)文，王金諾，程文明，等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2013.

［3］GB/T3811-2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.