蘇 芳，孫艷秀，聶文杰，張俊娜

（太重（天津）濱海重型機械有限公司，天津 300452）

［關(guān)鍵字］門座起重機；鋼結(jié)構(gòu)；有限元；仿真計算

門座起重機屬于臂架型起重機，其鋼結(jié)構(gòu)是機器的主要部分，是整機的骨架，承擔著機械設(shè)備的各種載荷和自重。因此，鋼結(jié)構(gòu)必須滿足一定的強度、剛度、穩(wěn)定性要求，才能保證機器正常使用。本文使用有限元軟件ANSYS對D4085門座起重機鋼結(jié)構(gòu)進行了仿真分析，并計算校核了各工況下的強度。

1 有限元模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)件建模

D4085門座起重機鋼結(jié)構(gòu)由臂架系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)柱、人字架及門架組成。臂架系統(tǒng)在建立有限元模型時分為3部分：桁架結(jié)構(gòu)單臂架、柔性拉索鋼絲繩和臂架上滑輪組。桁架結(jié)構(gòu)單臂架采用BEAM188單元（TIMOSHENKO梁，3D有限應(yīng)變，計入剪切變形影響，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模；柔性拉索鋼絲繩采用LINK180單元（3D有限應(yīng)變桿，節(jié)點自由度UX/UY/UZ）建模；臂架上的滑輪組采用MASS21單元（點單元，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模。需要注意的是，本計算中使用的LINK180單元和MASS21單元的功能是模擬鋼絲繩和滑輪組對起重機鋼結(jié)構(gòu)施加的載荷，其自身強度結(jié)果不在有限元計算中體現(xiàn)，所以臂架系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)有限元計算只列出桁架結(jié)構(gòu)單臂架（以下簡稱臂架）結(jié)果。轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)柱、人字架及門架等為較規(guī)則的箱形梁或圓管結(jié)構(gòu)，采用BEAM188單元建模。

1.2 整機鋼結(jié)構(gòu)建模

各主要結(jié)構(gòu)件模型完成以后，需要組裝成門座起重機的整機鋼結(jié)構(gòu)。首先定義總體坐標系，然后根據(jù)各結(jié)構(gòu)件的相對位置關(guān)系分別定義局部坐標系，把各結(jié)構(gòu)件模型放在各局部坐標系下生成整體模型。

根據(jù)門座起重機的結(jié)構(gòu)形式，總體坐標和局部坐標均使用直角坐標系。設(shè)整體坐標系原點的水平位置位于門架軌距、基距中心，高度零點位于大車軌道平面。門架的建?？芍苯釉诳傮w坐標系下進行，轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)柱、人字架建模分別在局部坐標系下進行。組裝到總體坐標系時只需把工作平面移到相應(yīng)的關(guān)鍵點，即在各結(jié)構(gòu)件建模前加以下命令（X1、Y1、Z1為局部坐標系原點在總體坐標系下的坐標）：

D4085門座起重機的變幅幅度在25～80m之間。幅度25～45m時，最大起重量40t；幅度45～80m時，起重量5t。需要建立3個幅度的臂架模型分別加載計算，幅度25m、45m和80m對應(yīng)的臂架角度分別為76°、61.5°和26°。臂架長度方向與局部直角坐標系的坐標軸不平行，建模時對應(yīng)的局部坐標系除了平移外還需要旋轉(zhuǎn)角度。定義臂架長度方向為X軸，則局部坐標系需旋轉(zhuǎn)X軸使其同臂架長度方向保持一致。幅度25m時臂架建模前加以下命令：

*AFUN，DEG！定義單位為角度

WPROTA，76！X軸旋轉(zhuǎn)76°

CSYS，4

同理可得到另外2個角度的臂架模型。依次運行所有結(jié)構(gòu)件命令流，得出各幅度下整機有限元模型。

2 載荷及工況

2.1 載荷

結(jié)構(gòu)自重載荷SG：臂架、轉(zhuǎn)臺（除配重外）、轉(zhuǎn)柱、人字架、門架及其附屬結(jié)構(gòu)自重為均布載荷，輸入密度并施加重力加速度由軟件自動計算；轉(zhuǎn)臺配重可視為集中載荷，直接加載于相應(yīng)節(jié)點。

(3)Stable rotating detonation combustion could also be initialized and sustained in a combustor with a nozzle,which signals a bright future for the application of rotating detonation to satellite orbit-control thrusters.

移動載荷SL：包含吊具系統(tǒng)重量4t及額定起重量。

大車加減速引起的水平載荷SH1：可以在有限元模型上施加相應(yīng)方向的線加速度來實現(xiàn)。大車加速度根據(jù)技術(shù)規(guī)格書取0.05m/s2。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)制動引起的水平載荷SH2：可以在有限元模型上施加相應(yīng)的角加速度來實現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)加速度根據(jù)技術(shù)規(guī)格書取0.0007rad/s2。

風載荷SW：根據(jù)每個起重機各結(jié)構(gòu)件的迎風面積及風力系數(shù)來計算風載，然后均勻加在每個構(gòu)件的相應(yīng)節(jié)點上。

起升沖擊系數(shù)取1.1。

起升動載系數(shù)φ2根據(jù)計算，代入各參數(shù)可得φ2=1.3。

2.2 工況

（1）工況1——無風工作；

（3）工況3——極限風荷載情況。

這3類工況需在25m、45m、80m 3個幅度下分別計算。

3 求解與結(jié)果分析

3.1 幅度25m

工況1——無風工作計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為204MPa，出現(xiàn)在臂架中段，靠近臂架頭部的桁架弦桿上（見圖1和圖2）。

圖1 幅度25m-工況1整體應(yīng)力云圖

圖2 幅度25m-工況1最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

工況2——帶風工作計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為211MPa，出現(xiàn)在與臂架頭部箱形鋼結(jié)構(gòu)連接的臂架桁架弦桿上（見圖3和圖4）。

圖3 幅度25m-工況2整體應(yīng)力云圖

圖4 幅度25m-工況2最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

工況3——極限風荷載計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為112MPa，出現(xiàn)在臂架桁架變截面處的弦桿上（見圖5和圖6）。

圖5 幅度25m-工況3整體應(yīng)力云圖

圖6 幅度25m-工況3最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

3.2 幅度45m

工況1——無風工作計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為220MPa，出現(xiàn)在臂架中段弦桿上（見圖7和圖8）。

圖7 幅度45m-工況1整體應(yīng)力云圖

圖8 幅度45m-工況1最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

工況2——帶風工作計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為233MPa，出現(xiàn)在臂架中段弦桿上（見圖9和圖10）。

圖9 幅度45m-工況2整體應(yīng)力云圖

工況3——極限風荷載計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為129MPa，出現(xiàn)在臂架桁架變截面處的弦桿上（見圖11和圖12）。

圖10 幅度45m-工況2最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

圖11 幅度45m-工況3整體應(yīng)力云圖

圖12 幅度45m-工況3最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

3.3 幅度80m

工況1——無風工作計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為224MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤主梁上蓋板（見圖13和圖14）。

工況2——帶風工作計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為235MPa，出現(xiàn)在轉(zhuǎn)盤主梁上蓋板（見圖15和圖16）。

圖13 幅度80m-工況1整體應(yīng)力云圖

圖14 幅度80m-工況1最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

圖15 幅度80m-工況2整體應(yīng)力云圖

工況3——極限風荷載計算結(jié)果：整機最大應(yīng)力為186MPa，出現(xiàn)在臂架中段弦桿上（見圖17和圖18）。

此門座起重機主結(jié)構(gòu)使用的材料為Q345。工況1許用應(yīng)力232MPa；工況2許用應(yīng)力256MPa；工況3許用應(yīng)力282MPa。由以上計算結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)滿足強度要求。

圖16 幅度80m-工況2最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

圖17 幅度80m-工況3整體應(yīng)力云圖

圖18 幅度80m-工況3最大應(yīng)力附近應(yīng)力云圖

3.4 起重機各結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力

除各工況下最大應(yīng)力外，鋼結(jié)構(gòu)計算還應(yīng)關(guān)注各構(gòu)件最大應(yīng)力及應(yīng)力分布情況。限于篇幅，只列出各構(gòu)件最大應(yīng)力，見表1。

表1 不同幅度工況下各結(jié)構(gòu)件最大應(yīng)力 單位：MPa

從計算結(jié)果可知，起重機在工作幅度較小（25～45m）時，臂架應(yīng)力較高；在工作幅度較大（45～80m）時，轉(zhuǎn)盤應(yīng)力較高。門架及人字架在各工況下應(yīng)力均有較大盈余。在保證結(jié)構(gòu)強度及穩(wěn)定性情況下可適當減少材料用量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以降低成本。

4 結(jié)束語

對D4085門座起重機整體鋼結(jié)構(gòu)進行有限元建模，加載并求解有限元模型得出各工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，證明鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。本仿真計算研究也為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了參考。