黃偉莉， 郝世查， 范芳蕾， 陳星， 余龍

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，南昌330013）

0 引言

起重機(jī)是目前應(yīng)用很廣的一種起重運(yùn)輸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于港口、碼頭、堆場、船臺(tái)和貨場等露天工作場合。主梁金屬結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的骨架，承受著自重載荷和各種工作載荷，約占整機(jī)總重的25%~30%，它的使用狀況直接決定了雙梁起重機(jī)的工作壽命。傳統(tǒng)的起重機(jī)設(shè)計(jì)方法多采用以經(jīng)典力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的半理論、半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法和模擬法、直覺法等傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)過程反復(fù)多、周期長,所涉及的計(jì)算的公式復(fù)雜、計(jì)算量大。設(shè)計(jì)的精確度較低、費(fèi)用高[1]。小車運(yùn)行工況的實(shí)時(shí)應(yīng)力狀態(tài)不能及時(shí)地反映。隨著科學(xué)技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代化設(shè)計(jì)制造技術(shù)逐步提高，起重機(jī)的設(shè)計(jì)方法也正向著集成化、模塊化轉(zhuǎn)變。各類有限元分析軟件應(yīng)運(yùn)而生，為機(jī)械設(shè)計(jì)注入了新的動(dòng)力，利用它能對處于設(shè)計(jì)階段的模型進(jìn)行數(shù)值仿真，對設(shè)計(jì)的合理性檢驗(yàn)和優(yōu)化有著重要作用，而且能實(shí)時(shí)顯示各種工況下的應(yīng)力、應(yīng)變及其分布，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題，從而縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、減少產(chǎn)品的質(zhì)量和制造成本，對推動(dòng)節(jié)能減排、低碳環(huán)保的綠色經(jīng)濟(jì)具有重要意義[2]。本文利用ANSYS Workbench對該起重機(jī)的單根主梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度分析，并提出優(yōu)化設(shè)想。

1 主梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

該起重機(jī)的主要參數(shù)為：載重30/5 t，跨度25 m，起升高度10 m，工作級別為A5，支腿平面采用A型雙剛性支腿門架結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 起重機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖

主梁和剛性支腿采用法蘭對接和螺栓連接，它們之間不存在位移而采用Boned連接。在分析過程中支撐處螺栓連接的連接孔和主梁兩端的側(cè)面箱型結(jié)構(gòu)及一些微小結(jié)構(gòu)，如圓角、梁邊上的連接結(jié)構(gòu)對分析結(jié)果無影響，在建立模型的時(shí)候可將其省略。主梁支撐處的支座與腹板之間用一梯形板進(jìn)行連接，為避免分析時(shí)在轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)應(yīng)力奇異，將梯形尖銳轉(zhuǎn)角處改為圓角。

1.2 主梁截面參數(shù)

該起重機(jī)的主梁為箱型結(jié)構(gòu)，主梁高度1470 mm，翼緣板寬度1162 mm，厚度10 mm，腹板厚度6 mm，截面尺寸1090 mm×1450 mm，如圖2所示。內(nèi)部共有間距為1500 mm的隔板25塊和間距為500 mm的筋板48塊，內(nèi)部加強(qiáng)筋和隔板及等邊角鋼等輔助結(jié)構(gòu)焊接而成。

本文以主梁為研究對象，用NX軟件完成主梁的三維建模。利用NX與ANSYS Workbench無縫對接功能直接將模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行有限元分析。

圖2 主梁結(jié)構(gòu)圖

起重機(jī)實(shí)際受力情況比較復(fù)雜，將其受力簡化為兩個(gè)集中力代替小車車輪壓在車輪軌道上的壓力，據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有許用撓度為fx=L/750=18.6 mm[3]，其中L為主梁長度。其簡化受力如圖3所示。

圖3 主梁簡化受力圖

2 主 梁 的ANSYS分析

2.1 有限元模型的建立

文中起重機(jī)的主梁整體結(jié)構(gòu)材料采用Q-235B。模型搭建好后將其導(dǎo)入Workbench中定義其材料屬性，彈性模量為206 GPa,材料密度為ρ=7850 kg/m3,主梁的工作級別為A5，根據(jù)主梁的工作級別和機(jī)構(gòu)的工作級別，確定其安全因數(shù)n=1.34，其中材料的許用應(yīng)力為［σ］=175.37 MPa，許用切應(yīng)力［τ］=102.55 MPa,泊松比為0.3。主梁共由115個(gè)部件共同構(gòu)成，程序自動(dòng)設(shè)置的連接在由多部件組建的裝配體中可能會(huì)存在不可靠連接，需手動(dòng)設(shè)置被檢查連接的有效性。由于起重機(jī)整體尺寸較大，若用實(shí)體模型進(jìn)行分析計(jì)算，將會(huì)產(chǎn)生很大的計(jì)算量，權(quán)衡計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算精度，將模型進(jìn)行抽中面處理，以減少計(jì)算量。

對主梁采用自動(dòng)網(wǎng)格，生成網(wǎng)格模型如圖4所示。

2.2 載荷施加及結(jié)果求解

因?yàn)橹髁簽閷ΨQ結(jié)構(gòu)，故在本次分析中選取跨中（工況一）和距跨中截面右側(cè)S/4處（工況二）及S/2（工況三）處兩個(gè)不同的工況進(jìn)行靜應(yīng)力分析，其中S為主梁跨度。按GB 50278-2010靜載試運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)，起重機(jī)的實(shí)際靜載荷應(yīng)為額定載荷的1.25倍，即靜載荷為40 t,將小車輪及重物對主梁的壓力簡化為一均布壓在頂板上的兩塊板上的壓力。由圣維南原理可得該板的尺寸為390 mm×380 mm，根據(jù)力學(xué)原理，單個(gè)主梁承受200 kN的重力，每塊長板上的壓力應(yīng)為F=100 kN，在 Analysis_Setting中添加重力和載荷。在求解器中添加形變和應(yīng)力求解項(xiàng)。分別求解三種工況下的應(yīng)力應(yīng)變，得到其應(yīng)力應(yīng)變云圖分別如圖5和圖6所示。

圖4 主梁網(wǎng)格圖

圖5 主梁應(yīng)變分布云圖

根據(jù)結(jié)果顯示:工況一主梁上產(chǎn)生的最大應(yīng)力為114.67 MPa,最大形變?yōu)?.54 mm；工況二的最大應(yīng)力為119.9 MPa，最大形變?yōu)?.01 mm；工況三的最大應(yīng)力為63.27 MPa，最大形變?yōu)?.78 mm。最大應(yīng)力都小于材料的許用應(yīng)力，在小車位于主梁的端部時(shí)，在內(nèi)部筋板產(chǎn)生的切應(yīng)力也小于許用切應(yīng)力。形變最大處都在主梁中部且均小于許用撓度。較大應(yīng)力集中主要在支撐處，主梁腹板和筋板上應(yīng)力較小，還有較大的應(yīng)力儲(chǔ)備。

3 結(jié) 論

對主梁進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析之后得到了以下結(jié)論：1）主梁的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均小于許用值，主梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求；2）在支撐連接處出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，但均在材料的許用應(yīng)力范圍之內(nèi)；3）主梁內(nèi)部部分橫加筋板和上下左右的腹板并未承受較大的應(yīng)力，具有較大的應(yīng)力儲(chǔ)備；4）將支撐處的連接結(jié)構(gòu)加寬以及將尖倒角改為圓倒角以消除部分應(yīng)力集中，改善承重效果?；?qū)?nèi)部橫加筋板和上下及左右的腹板厚度減少1 mm，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的同時(shí)減少自重，達(dá)到輕量化的目的。

圖6 主梁應(yīng)力分布云圖