基于ANSYS的橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)有限元分析

楊金堂,周詩(shī)洋,李公法

(武漢科技大學(xué)機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院,湖北武漢,430081)

武鋼股份有限公司條材總廠一煉鋼分廠精煉跨4#200 t-20 m冶金橋式起重機(jī)是由原350 t-20 m脫錠起重機(jī)改造而成,已經(jīng)使用了50多年。由于我國(guó)對(duì)起重機(jī)報(bào)廢年限還沒有強(qiáng)制性要求,該起重機(jī)已經(jīng)超過了設(shè)計(jì)使用年限仍然還在使用,但其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、可靠性和安全性隨著使用年限的增加而逐步降低,具有很大的安全隱患。為了確保安全生產(chǎn),對(duì)起重機(jī)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試,確定其在實(shí)際工況下的應(yīng)力分布狀態(tài)十分必要。如果采用傳統(tǒng)的力學(xué)計(jì)算方法對(duì)橋式起重機(jī)的橋架進(jìn)行計(jì)算,往往需要簡(jiǎn)化或估計(jì)相關(guān)參數(shù),勢(shì)必造成計(jì)算結(jié)果的不準(zhǔn)確。為此,本文應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)橋架的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬,并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,以期為該起重機(jī)的疲勞壽命預(yù)估提供參考。

1 有限元計(jì)算模型

4#200 t-20 m冶金橋式起重機(jī)的橋架主要由主梁、副主梁、端梁、副端梁和軌道等部分組成,屬于正軌焊接箱形梁結(jié)構(gòu),箱梁內(nèi)部有大小加強(qiáng)筋。橋架平面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用笛卡兒直角坐標(biāo)系建立橋架的三維模型,坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在橋架跨中處,x軸垂直指向南主梁,y軸沿鉛垂方向向上,z軸垂直指向西端梁。分別采用彈性板單元(Shell63)和三維實(shí)體單元(Solid187)建立橋架的三維有限元模型,將司機(jī)室和電氣室等附屬設(shè)備簡(jiǎn)化為集中質(zhì)量單元(Mass21)。采用簡(jiǎn)支梁的方式對(duì)橋架進(jìn)行多點(diǎn)約束,在橋架司機(jī)室端的主梁與平衡臺(tái)車連接處(鉸支座)分別施加x、y、z方向的約束(北鉸接處)和y、z方向的約束(南鉸接處),在非司機(jī)室端相同位置分別施加x、y方向的約束(北鉸接處)和y方向的約束(南鉸接處)[1-2]。由于施加約束的不一致,會(huì)使橋架北梁和南梁的有限元計(jì)算結(jié)果存在微小的差異。

圖1 橋架平面結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of bridge structure

在工作狀態(tài)下,橋架受到自重和吊重的聯(lián)合作用,其中,橋架自重在給定重力加速度的條件下可由ANSYS軟件自動(dòng)計(jì)算。橋架鉛垂方向的吊重載荷作用于軌道和車輪接觸處,將輪壓以集中載荷的方式平均分配到接觸處相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上[3]。

考慮到橋架的實(shí)際受載情況及其結(jié)構(gòu)力學(xué)特性,確定兩種有限元計(jì)算工況:①計(jì)算工況1,滿載小車(200 t額定載荷)位于橋架跨中位置;②計(jì)算工況2,空載小車位于橋架端部位置(司機(jī)室端)。

2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的項(xiàng)目主要有橋架結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)截面應(yīng)力水平和靜撓度。測(cè)點(diǎn)貼片位置及編號(hào)見圖1。以空載小車位于橋架端部位置(司機(jī)室端)的工況作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的零點(diǎn)工況,將靜態(tài)電阻應(yīng)變儀調(diào)零,同時(shí)用激光水準(zhǔn)儀、磁力座和鋼尺測(cè)試主梁的上拱度。然后使?jié)M載小車(200 t額定載荷)位于橋架跨中位置,測(cè)試此工況下橋架跨中位置的應(yīng)力和主梁的上拱度,主梁的兩次上拱度值之差即為主梁的靜撓度。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果Table 1 Measured results in the field

3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 靜態(tài)特性

有限元計(jì)算結(jié)果如表2所示。當(dāng)滿載小車位于橋架跨中位置時(shí),排除約束條件所產(chǎn)生的局部應(yīng)力集中影響,橋架跨中截面上的應(yīng)力達(dá)到最大值,此時(shí),最大主應(yīng)力σ1為33.444 M Pa,位于北主梁的下蓋板跨中部位;最小主應(yīng)力σ3為-36.364 M Pa,位于北主梁的上蓋板跨中部位。當(dāng)空載小車位于橋架端部位置時(shí),最大主應(yīng)力σ1為5.672 M Pa,位于北主梁端部的下蓋板處;最小主應(yīng)力σ3為-6.105 M Pa,位于北主梁的上蓋板跨中部位。滿載小車位于橋架跨中位置時(shí),橋架的Von Mises等效應(yīng)力分布云圖如圖2所示,橋架鉛垂方向變形云圖如圖3所示。

表2 有限元計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculated results of FEM

圖2 橋架的Von M ises等效應(yīng)力分布云圖(滿載小車位于跨中)Fig.2 Von Mises equivalent stress contour bands with the laden trolley in them iddle of bridge structure

圖3 橋架鉛垂方向變形云圖(滿載小車位于跨中)Fig.3 Displacement in y direction with the laden trolley in the middle of bridge structure

對(duì)比表1和表2可見,有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果較為接近,表明建立的有限元模型比較合理。從表2中可知,當(dāng)滿載小車位于橋架跨中位置時(shí),主梁的最大撓度為5.903 mm,符合GB/T 3811—2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)起重機(jī)靜態(tài)剛性的要求,即fj≤S/1 000,其中:fj為起重機(jī)的靜撓度,S為起重機(jī)的跨度。同時(shí),橋架的Von M ises等效應(yīng)力最大值為34.578 M Pa,遠(yuǎn)小于橋架材料16M n的許用應(yīng)力246.2 M Pa,不僅符合GB/T 3811—2008對(duì)起重機(jī)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求,并且還有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

3.2 動(dòng)態(tài)特性

為進(jìn)一步了解該起重機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上對(duì)橋架進(jìn)行模態(tài)分析,得出其前6階固有頻率和振型,如表3和圖4所示。

由表3可知,橋架的第1階固有頻率為2.67 Hz,符合GB/T 3811—2008對(duì)起重機(jī)動(dòng)態(tài)剛性的要求,即滿載自振固有頻率不小于2 Hz。

由圖4可知,第1、2、3、4階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型圖反映了橋架橫向水平方向的振動(dòng),可能是由起重機(jī)大、小車的啟動(dòng)或制動(dòng)等原因激勵(lì)起振;第5、6階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型圖反映了橋架縱向垂直方向的振動(dòng),可能是由起升機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)或制動(dòng)等原因激勵(lì)起振[4]。同時(shí),主梁的上、下蓋板和腹板是振動(dòng)較為嚴(yán)重的部位,故在對(duì)起重機(jī)的日常維護(hù)和檢修中要特別注意這些位置的工作狀況,以提高起重機(jī)的疲勞壽命,降低事故發(fā)生率,促進(jìn)安全生產(chǎn)。

表3 橋架前6階固有頻率Table 3 Former six natural vibration frequencies

圖4 橋架前6階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型圖Fig.4 Former six mode shapes corresponding to natural vibration frequencies

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的方法對(duì)某200 t-20 m冶金橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果很接近,驗(yàn)證了有限元模型的合理性。該起重機(jī)的最大撓度、靜態(tài)Von Mises等效應(yīng)力和第1階固有頻率均符合起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。有限元計(jì)算結(jié)果可為起重機(jī)的疲勞壽命預(yù)估提供參考。

[1] 高素荷.寶鋼25 t-27.5 m橋式起重機(jī)主梁有限元分析[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2005,12(4):313-317.

[2] 張質(zhì)文,虞和謙,王金諾,等.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1998.

[3] 黃濤,王濤,楊先勇,等.橋式起重機(jī)橋架的三維有限元分析[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2009,32(6):623-625.

[4] 孫明堯,過玉卿.桁架式裝卸橋動(dòng)態(tài)特性分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2000(5):209-211.