大噸位橋式起重機主梁上蓋板開門處有限元分析

符敢為，高 勇，井德強

（陜西省特種設(shè)備質(zhì)量安全監(jiān)督檢測中心，陜西 西安 710048）

0 引言

由于大噸位橋機在使用過程中所具有的固有特點，使得主梁上蓋板開門過渡圓角處經(jīng)常出現(xiàn)裂紋，影響其使用性能。常規(guī)設(shè)計中采用解析方法對橋架結(jié)構(gòu)該處截面的應(yīng)力進行計算，但這種方法不能很好地反映其實際的應(yīng)力狀態(tài)。對此本文采用有限元分析方法，建立橋架結(jié)構(gòu)的參數(shù)化有限元模型，并進行加載、求解，最終得到該處的實際應(yīng)力狀態(tài)。

1 橋架結(jié)構(gòu)三維參數(shù)化有限元模型的建立

1.1 橋架結(jié)構(gòu)的幾何模型及相關(guān)參數(shù)

本文所選的200t／31m橋式起重機為端梁非鉸接式雙梁橋機［1］，其主要參數(shù)如下：

額定起重量（t）： 200；

工作級別 ： A6；

跨度（m） 31；

小車重（t）： 74.7；

小車輪距（m ） 3.7；

小車軌距（m） 6.7。

起重機主梁是橋架結(jié)構(gòu)受力的主要支撐部分，其幾何參數(shù)見圖1。

1.2 建立有限元模型

在ANSYS中創(chuàng)建實體模型，采用自底向上的建模方式［2］，即可創(chuàng)建整個橋架結(jié)構(gòu)的完整模型［3］。該橋架結(jié)構(gòu)的材料為Q345，其彈性模量E＝2.06×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度為7.85×10－6kg／mm3。此外通過定義實常數(shù)來賦予各個板構(gòu)件的厚度。選用單元類型為三維殼單元Shell63［4］。對橋架結(jié)構(gòu)實體模型進行網(wǎng)格劃分即可得到所需要的有限元模型。采用的網(wǎng)格大小為200mm［5］，生成的有限元模型如圖2所示。

2 載荷及約束條件的施加

2.1 載荷的確定與施加

作用在橋架結(jié)構(gòu)上的載荷包括垂直載荷和水平載荷［6］。垂直載荷分為移動載荷和固定載荷，均布載荷采用施加重力加速度的方式加載，集中載荷則施加在相應(yīng)位置的節(jié)點上。水平載荷包括水平移動集中慣性載荷和水平均布慣性載荷，均布慣性載荷采用施加水平加速度的方式加載，集中慣性載荷則施加在相應(yīng)位置的節(jié)點上。

2.2 約束條件的施加

在大車運行臺車支撐耳板與橋架下蓋板連接處的相應(yīng)節(jié)點上施加平移自由度約束，即限制X、Y、Z方向的平移自由度。

2.3 求解

選擇前置條件共軛梯度法（PCG）求解器進行求解［7］。

3 計算結(jié)果分析

在大車運行制動、小車位于跨端極限位置且滿載下降制動的工況下進行計算，利用ANSYS的后處理功能可以得到該工況下橋架結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布云圖和位移云圖，如圖3所示，主梁上蓋板開門處的應(yīng)力分布如圖4所示。由圖4可以看出：在該種工況下，上蓋板開門過渡圓角處的應(yīng)力比較大，原因是此處存在應(yīng)力集中。運用ANSYS后處理功能中的列表顯示節(jié)點解，得到該處最大等效應(yīng)力為101.06MPa，小于許用應(yīng)力。

改變上蓋板開門處過渡圓角半徑進行分析計算，其計算結(jié)果見表1。由計算結(jié)果可知，隨著過渡圓角半徑的增大，該處最大等效應(yīng)力逐漸減小。過渡圓角半徑增大的極限狀態(tài)就是矩形門的短邊變?yōu)榘雸A弧，在表1的最后一列給出了這種情況下的計算結(jié)果，其等效應(yīng)力為77.422MPa，為該處的最小等效應(yīng)力。建議以后在上蓋板開門時，在條件允許的情況下，可以將矩形門的短邊用半圓弧來代替，以此改善該處的應(yīng)力狀態(tài)。

圖1 橋架結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)

圖2 橋架結(jié)構(gòu)有限元模型

圖3 有限元分析結(jié)果

改變上蓋板開門處鑲邊厚度進行分析計算，其計算結(jié)果見表2。由計算結(jié)果可知，隨著鑲邊厚度的增大，該處最大等效應(yīng)力逐漸減小，但效果不明顯，即便是鑲邊厚度增大為20mm，該處最大等效應(yīng)力也只減小了10MPa。建議不要通過改變鑲邊厚度來改善該處的應(yīng)力分布狀態(tài)。

圖4 主梁上蓋板開門處的應(yīng)力分布

表1 改變過渡圓角半徑的計算結(jié)果

改變上蓋板開門尺寸大小進行分析計算。當(dāng)改變短邊寬度時，計算結(jié)果見表3。由表3可以看出，隨著短邊寬度的減小，該處的最大等效應(yīng)力逐漸減小，短邊寬度最小為310mm時，其最大等效應(yīng)力僅為19.279 MPa。單獨改變矩形門長邊長度進行分析計算，其計算結(jié)果見表4。由表4可以看出，隨著長邊長度的減小，該處的最大等效應(yīng)力總體趨勢是減小的，當(dāng)長邊長度為最小310mm時，其最大等效應(yīng)力為73.252MPa。因此，上蓋板開門時，在條件允許的情況下盡量減小開門尺寸。

表2 改變鑲邊厚度的計算結(jié)果

表3 改變短邊寬度的計算結(jié)果

表4 改變長邊長度的計算結(jié)果

單獨改變開門位置至副腹板的尺寸進行分析計算，其計算結(jié)果見表5。由表5可以看出，隨著開門位置至副腹板尺寸的減小，該處最大等效應(yīng)力有減小的趨勢，但效果不明顯。即便是將開門位置移動至靠近副腹板的極限位置10mm時，最大等效應(yīng)力為89.725MPa，也僅僅降低了10MPa左右。

單獨改變開門位置至近端大隔板的尺寸進行分析計算，其計算結(jié)果見表6、表7?？梢钥闯觯S著尺寸的減小，最大等效應(yīng)力變化不明顯；隨著尺寸的增大，最大等效應(yīng)力變化也不明顯。因此，在上蓋板開門位置介于近端梁第一、二塊大隔板之間的前提下，改變蓋板開門位置對其應(yīng)力狀態(tài)的影響很小。

表5 改變開門位置至副腹板尺寸的計算結(jié)果

上面討論的是在大車運行制動、小車位于跨端極限位置且滿載下降制動的工況下，影響上蓋板開門處應(yīng)力分布狀態(tài)的各個因素，但在小車運行至跨端極限位置時，對于上蓋板開門處，并不是最危險工況。經(jīng)計算分析小車運行位置距主梁左端為5.926m（此時一組小車輪壓恰好作用在上蓋板開門過渡圓角處）是上蓋板開門處的危險工況，未改變過渡圓角半徑前，該處最大等效應(yīng)力為165.57MPa，將矩形門短邊改為半圓弧后，該處最大等效應(yīng)力變?yōu)?16.39MPa，效果明顯。結(jié)果顯示，通過單獨調(diào)整主梁上蓋板開門處過渡圓角半徑、鑲邊厚度、開門大小和開門位置均可不同程度地改善該處的應(yīng)力狀態(tài)。在調(diào)整過程中可以將幾個影響因素綜合考慮，以便得到最佳效果。

表6 改變開門位置至近端隔板尺寸的計算結(jié)果（尺寸減?。?/p>

表7 改變開門位置至近端隔板尺寸的計算結(jié)果（尺寸增大）

4 結(jié)論

在有限元模型參數(shù)化及分析過程程序化的基礎(chǔ)上，分析了主梁上蓋板開門處過渡圓角半徑、鑲邊厚度、開門大小和開門位置對該處應(yīng)力分布的影響。有限元分析方法極大地提高了設(shè)計分析效率，可以拓展到其他工程機械結(jié)構(gòu)件的有限元分析計算中。

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