馬世輝，王國盛

（河南工學院 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003）

軌道集裝箱門式起重機門架結(jié)構(gòu)設計及有限元分析

馬世輝，王國盛

（河南工學院 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003）

針對某軌道集裝箱門式起重機門架結(jié)構(gòu)，先用經(jīng)驗設計法進行設計，然后運用ANSYS軟件建立參數(shù)化的力學模型，對不同工況進行強度和靜剛度分析，并做相應的優(yōu)化。最終設計的結(jié)構(gòu)既滿足強度和剛度的要求，又降低了生產(chǎn)成本，為門架結(jié)構(gòu)的設計提供了一種可靠且有效的方法。

軌道集裝箱門式起重機；有限元分析；優(yōu)化設計

軌道集裝箱門式起重機(RMG)是集裝箱碼頭和鐵路貨場廣泛應用的一種集裝箱堆場作業(yè)起重設備，一般由門架、小車、起升機構(gòu)、大車運行機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、駕駛室等組成。其中門架結(jié)構(gòu)的質(zhì)量占整機質(zhì)量的60%以上，該鋼結(jié)構(gòu)設計的合理性和安全可靠性決定了軌道式集裝箱門式起重機的工作性能。因此，在設計前期對其進行多種載荷組合作用下的分析設計及優(yōu)化是非常重要的。

門架結(jié)構(gòu)的設計計算要涉及空間結(jié)構(gòu)的超靜定問題，手工計算非常繁瑣。本文采用傳統(tǒng)方法先設計出門架的各部分結(jié)構(gòu)，再利用ANSYS軟件對結(jié)構(gòu)進行有限元分析，并進行優(yōu)化。

1 軌道集裝箱門式起重機基本參數(shù)及結(jié)構(gòu)分析

以某鐵路轉(zhuǎn)運場的軌道集裝箱門式起重機為例，其基本參數(shù)如表1。由表1可知，該起重機兩側(cè)有懸臂，為保證集裝箱通過兩側(cè)門腿內(nèi)空間，門架結(jié)構(gòu)采用門腿上部敞開成“U”形[1]。懸臂長為跨度的1/6，可不設計馬鞍[2]，主梁采用偏軌箱型梁。由于門式起重機跨度大于30m，考慮溫度變形影響，采用一剛一柔的支腿結(jié)構(gòu)形式[3]。

2 軌道式集裝箱門式起重機門架結(jié)構(gòu)的有限元分析

行建模并分析，其命令流先在Excel里生成，然后逐步導入ANSYS中進行分析。

表1 軌道集裝箱門式起重機基本參數(shù)

2.1 有限元模型的建立

ANSYS建立的有限元模型不是實體模型，而是力學模型，需要對門架結(jié)構(gòu)做相應的簡化：

（1）門架結(jié)構(gòu)中的各部件既承受拉壓力，也承受剪切應力和彎曲應力，采用Beam188梁單元進行模擬。

（2）主梁上的軌道、主梁和支腿的連接法蘭、支腿和下橫梁的連接法蘭直接簡化成相應的質(zhì)量因素，不再建模。

（3）由于分析后還需優(yōu)化，需要對一些設計變量設置成參數(shù)。包括主梁高度H，主梁寬度B，主梁上蓋板厚度T1, 主梁下蓋板厚度T2。支腿寬度與主梁寬度等寬，不再單獨設置。

建成后的模型如圖1所示。

為方便修改及優(yōu)化設計，采用命令流的方式進

圖1 門架結(jié)構(gòu)的有限元模型

2.2 載荷分析

作用在起重機上的載荷分為常規(guī)載荷、偶然載荷、特殊載荷及其他載荷。常規(guī)載荷是指起重機正常工作時經(jīng)常發(fā)生的載荷。偶然載荷是指在起重機正常工作時不經(jīng)常發(fā)生而只是偶然出現(xiàn)的載荷。特殊載荷是起重機非正常工作時或不工作時的特殊情況下才發(fā)生的載荷[4]。

2.3 工況及載荷組合

起重機的工作情況不同，所受的載荷也不一樣，一般考慮三種不同的工作情況：無風正常工作情況（載荷組合A）；有風正常工作情況（載荷組合B）；受特殊載荷作用的工作情況（非工作狀態(tài)最大風載荷，載荷組合C）[1]。根據(jù)客戶要求，工作狀態(tài)風載荷最大不超過20m/s，非工作狀態(tài)風載荷最大不超過55m/s，其A、B、C三種載荷組合具體如表2。

表2 起重機載荷組合

表中，Ｑ為額定起重量，ＧM為門架自重，ＧX為小車自重，ＰX為小車運行慣性力，ＰD為大車運行慣性力，ＰW2為工作狀態(tài)風載荷，ＰW3為非工作狀態(tài)風載荷，ф1為起升沖擊系數(shù)，ф2為起升載荷動載系數(shù)，os為鋼板的屈服點（鋼板采用Q235-B），取os=235MPa。

2.4 約束及加載載荷

門架模型添加約束，是對下橫梁的兩端節(jié)點進行約束，剛腿下端的節(jié)點需約束X、Y、Z三個方向的位移自由度和垂直于地面方向的旋轉(zhuǎn)自由度，柔腿下端的節(jié)點需約束Y、Z兩個方向的位移自由度和垂直于地面方向的旋轉(zhuǎn)自由度。

加載載荷時，將起重小車的載荷（包括小車運行慣性力）集中作用于主梁的相應位置。風載荷以均勻的載荷力加到相應的節(jié)點處。圖2為小車位于跨中，無風正常工作時的約束及載荷施加圖。

2.5 分析結(jié)果

（1）強度分析

圖2 無風正常工作且小車位于跨中時載荷施加圖

分別按載荷組合A、載荷組合B的小車位于三種不同極限位置（包括小車在跨中時、在剛腿側(cè)懸臂極限位置處、在柔腿側(cè)懸臂極限位置處），載荷組合C（非工作狀態(tài)）的小車位于小車錨定位置（剛腿上方）處的七種工況進行強度分析。分析結(jié)果如表3。

表3 門架在各種載荷組合下的強度分析結(jié)果

根據(jù)表3，可以看出載荷組合C且小車位于小車錨定位置的最大應力較大，接近許用應力。載荷組合A和載荷組合B的六種工況，最大應力值不大。

（2）靜剛度分析

主梁靜剛度分析：小車位于跨中或懸臂左右極限位置，不考慮門架重力，僅考慮小車自重載荷和額定起重載荷時主梁跨中或懸臂左右極限位置的最大下?lián)现礷。根據(jù)《起重機設計規(guī)范》GB/T 3811-2008要求，跨中許用靜剛度為：懸臂許用靜剛度為：式中，L為跨度,S為有效懸臂長度。分析結(jié)果為：小車位于跨中時，主梁下?lián)现禐?3.006mm36mm；小車位于剛腿懸臂處時，最大下?lián)蠟椋?3.171mm；位于柔腿懸臂處時，最大下?lián)蠟椋?3.297mm。均小于[f懸]=20mm。

根據(jù)強度和剛度分析結(jié)果，其正常工作時（載荷組合A和載荷組合B的六種工況）最大應力值遠小于許用值，靜剛度值也小于許用靜剛度。而在最大非工作風載荷作用時(載荷組合C且小車位于小車錨定位置)，其柔腿下端的應力接近許用值。主梁靜剛度主要與主梁截面的慣性矩大小有關，傳統(tǒng)的方法是通過降低主梁高度和減小主梁上、下蓋板的厚度來減小主梁截面的慣性矩。而載荷組合C主要載荷為非工作狀態(tài)風載荷和重力，當降低主梁高度和減輕重量都能使載荷組合C的載荷值減小，從而降低其最大應力值。因此按照小車位于跨中時計算主梁靜剛度的工況對主梁進行優(yōu)化。

2.6 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標是結(jié)構(gòu)重量最輕，其設計變量為主梁高度H，主梁寬度B，主梁上蓋板厚度T1,主梁下蓋板厚度T2，狀態(tài)變量為小車位于跨中時跨中的靜剛度小于許用值36mm，目標函數(shù)為門架金屬結(jié)構(gòu)的總體積。各參數(shù)及目標函數(shù)的初始值見圖3。

圖3 各參數(shù)及目標函數(shù)的初始值

ANSYS軟件提供的優(yōu)化方法主要有零階方法、一階方法和用戶提供的優(yōu)化方法[5]。由于門機結(jié)構(gòu)設計的精度要求不高，可以采用零階方法。采用等步長搜索的循環(huán)控制方式進行優(yōu)化。

優(yōu)化后，最佳參數(shù)如圖4。

圖4 優(yōu)化后最佳參數(shù)列表

實際生產(chǎn)時，主梁高度一般為50mm的倍數(shù)，上、下蓋板的厚度為現(xiàn)有鋼板厚度。根據(jù)圖6中的數(shù)值，取H=2200mm，B=1260mm，T1=T2=14mm。此時門架結(jié)構(gòu)在各種極限工況下的強度和靜剛度如表4。

表4 門架在各種工況下的強度和靜剛度分析結(jié)果

由表4可知，優(yōu)化后門架在各種工況下的強度和靜剛度分析結(jié)果均符合要求，其中靜剛度值接近許用值。經(jīng)優(yōu)化后，門架總重量減少約9.2t，約為門架總重量的5%。

3 結(jié)語

利用ANSYS 的優(yōu)化設計功能對門架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析的方法是可行且有效的，其方法簡單，是有限元和優(yōu)化分析的有機結(jié)合，對結(jié)構(gòu)復雜的門架結(jié)構(gòu)的設計具有較好的實用價值。但不同的門架結(jié)構(gòu)其設計變量和狀態(tài)變量是不同的，需要根據(jù)具體情況進行具體設置。

（責任編輯 呂春紅）

[1] 張質(zhì)文,王金諾,等.起重機設計手冊[M].北京：中國鐵道出版社,2013.

[2] 丁敏,張德文.大跨距軌道式集裝箱門式起重機結(jié)構(gòu)計算分析[J].港口裝卸,2009(3),8-11.

[3] 徐格寧.機械裝備金屬結(jié)構(gòu)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[4] GB/T 3811-2008,起重機設計規(guī)范[S].

[5] 張朝暉.ANSYS 11.0結(jié)構(gòu)分析工程應用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社,2008.

The Design and Analysis of the RMG

MA Shi-hui，et al
(Department of Automobile, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453003, China)

Firstly, Use experience method to design of the RMG structure. Then, Using ANSYS software to establish the parameterized mechanical model, Analyze the Strength and static stiffness on the different working conditions, And make the optimization. The structure of the final design both meet the requirements of strength and stiffness, And reduce the production cost. For the design of the RMG structure provides a reliable and effective method.

RMG; the finite element analysis; optim ization

TH 213.5

A

1008–2093(2017)02–0013–04

2017-01-16

馬世輝（1983―），男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士，主要從事起重機結(jié)構(gòu)研究。