基于ANSYS建模橋式起重機(jī)主梁有限元分析

李常勝

（河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000）

0 引 言

起重運(yùn)輸設(shè)備主要從事搬運(yùn)、轉(zhuǎn)載、儲(chǔ)存作業(yè)的大型工程機(jī)械，在建筑施工和工業(yè)生產(chǎn)上比較常用.橋式起重機(jī)屬于其中之一，而主梁又是橋式起重機(jī)中最主要的之一，它與端梁共同組成橋架—主要承載結(jié)構(gòu).它承受著垂直方向的載荷（小車自重或起吊重物時(shí)引起的輪壓、主梁自重和大車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、電氣設(shè)備的重量）和水平方向的載荷（當(dāng)起重機(jī)或小車起動(dòng)和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力）.所以主梁應(yīng)該有足夠的垂直和水平方向的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，并有良好的抗疲勞性能和足夠的疲勞強(qiáng)度.主梁的高度根據(jù)起重量和跨度決定，主梁分為導(dǎo)電側(cè)和傳動(dòng)側(cè)，根據(jù)計(jì)算，QD20／5t－13m傳動(dòng)側(cè)的主梁所受力比較多，而且水平剛度較垂直剛度易于保證，故只分析傳動(dòng)側(cè)主梁垂直方向的剛度.

1 主梁有限元模型的建立

1.1 建模思路

ANSYS軟件提供了三種建模方法：（1）自底向上建模，即點(diǎn)－線－面－體（2）自上向下建模（3）采用CAD軟件建模，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析.

由于主梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，大、小隔板（筋板）較多，計(jì)算量較大所以在建模過程中對(duì)主梁部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化處理，略去和簡(jiǎn)化了一些對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu).例如：圓角、倒角等略去不計(jì).

若想對(duì)主梁做精確的分析，可以使用CAD軟件，例如SolidWorks軟件精確建模，將文件保存成parasolid格式，然后導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行分析.（保存文件名必須是英文格式，因?yàn)锳NSYS是純英文軟件）

此次對(duì)主梁的分析采用第一種建模方法.一般分為前處理（制定作業(yè)名和分析標(biāo)題、定義單元類型、定義單元實(shí)常數(shù)、定義材料屬性、創(chuàng)建幾何模型、對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分）、加載求解（定義分析類型和分析選項(xiàng)、施加載荷及約束、制定載荷步驟選項(xiàng)、求解初始化）、后處理（從計(jì)算結(jié)果中讀取數(shù)據(jù)、對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行各種圖形化顯示、計(jì)算結(jié)果列表顯示、進(jìn)行各種后續(xù)處理）三個(gè)步驟.

主梁大部分是結(jié)構(gòu)件，采用焊接拼裝，故采用板殼單元SHELL63.采用自底向上建模方法，對(duì)傳動(dòng)側(cè)主梁進(jìn)行靜剛度分析，首先建立各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后由關(guān)鍵點(diǎn)生成面，最后定義面的類型，劃分網(wǎng)格，施加約束，最后加載求解.

1.2 有限元模型的建立

主梁的主要技術(shù)參數(shù)有：上蓋板：12×400×13420mm，下蓋板：12×400×13488mm，腹板：12×400×13488mm，大隔板1：6×340×745mm、大隔板2：6×340×750mm、小隔板：6×340×750mm.傳動(dòng)側(cè)主梁工況分析如下：跨中左右1200mm處有F1＝72650N、F2＝65850N

圖1

1.2.1 制定作業(yè)名和分析標(biāo)題

依次單擊

File－Change Jobname；File－Change Title

命令流如下

／FILNAME，ZL1－1

／TITLE，Grane Model

1.2.2 定義單元類型和定義單元實(shí)常數(shù)

（1）由技術(shù)參數(shù)可得，定義兩種板厚即可.H＝10mm，L＝6mm.

依次單擊：Preprocessor－Element Type－Add／Edit／Delete，彈出Library of Element Type，選擇Shell－Elastic 4node63，在序號(hào)中輸入1，依此建立第二種單元.

ET，1，SHELL63

＊SET，H，12

ET，2，SHELL63

＊SET，L，6

（2）定義單元實(shí)常數(shù)

依次單擊：Preprocessor－Real Constant，按要求設(shè)置兩種單元的板厚.

命令流如下

ET，1，SHELL63

＊SET，H，12

ET，2，SHELL63

＊SET，L，6

1.2.3 定義材料性能參數(shù)

依次單擊

Preprocessor－MaterialModels－Structural－Linear－Elastic－Is

Otropic，分別設(shè)置彈性模量2.1e11，泊松比0.3，密度7.85e－6

命令流如下

MP，EX，1，2.1e11

MP，PRXY，1，0.3

MP，DENS，1，0，7.85e－6

1.2.4 生成幾何模型、劃分網(wǎng)格

（1）創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

依次單擊

Preprocessor－Modeling－Creat－Keypoints－In Active CS

格式如下

K，1，0，0，0

依此建立1／4主梁的關(guān)鍵點(diǎn)（包括主梁和筋板的關(guān)鍵點(diǎn)），以X－Y平面鏡像生成1／2主梁.

（2）由關(guān)鍵點(diǎn)生成面

依次單擊

Preprocessor－Modeling－Creat－Area－Arbitrary－The KPS

格式如下

A，1，2，13，14

依此建立一半主梁的各個(gè)面.

（3）平移復(fù)制面

以Y－Z平面鏡像生成另外1／2主梁

命令流如下

AGEN，2，ALL，，，，，－352，，，0

（4）設(shè)置網(wǎng)格劃分單元屬性

依次單擊

Preprocessor－Meshing－Mesh Attributes－Pick Area，分別拾取上下蓋板定義為單元1，腹板定義為單元2.

（5）預(yù)設(shè)網(wǎng)格種子

依次單擊

Preprocessor－Meshing－Size Cntrls－ManualSize

命令流如下

LESIZE，ALL，100

（6）網(wǎng)格劃分

依次單擊

Preprocessor－Meshing－Mesh－Area－Mapped－3or 4sided

命令流如下

AMESH，ALL

2 加載求解

（1）施加約束

約束形式如圖1，左端固定鉸支座，右端活動(dòng)鉸支座，支撐選擇面

依次單擊

Solution－Define Loads－Apply－Structural－Displacement－on Areas

命令流如下

DA，18，ALL

DA，46，UY

（2）施加載荷

依次單擊

Solution－Define Loads－Apply－Structural

考慮自重，命令流如下

ACEL，0，9.8

依次施加工況分析中的載荷

（3）求解

Solution－Slove－CurrentLS

命令流如下

SOLVE

3 后處理

（1）查看變形圖

依次單擊

General Postproc－Plot Result－Deformed Shaped

命令流如下PLDISP，2

（2）顯示等效應(yīng)力云圖

依次單擊

General Postproc－Plot Result－Contour Plot－Nodal Solution－Stress

命令流如下

PLNSOL，S，EQV

4 結(jié) 論

跨度中間變形最大，因?yàn)橹髁河幸欢ǖ纳瞎岸?，所以主梁靜剛度符合要求；左右支撐處應(yīng)力較大，和計(jì)算結(jié)果符合.

［1］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB 3811－1983起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008

［2］王生，許可晉，翟甲昌.斷裂力學(xué)方法估算起重機(jī)箱型梁的疲勞壽命［J］.山西機(jī)械，1994（2）：33～34

［3］ZHAO Zhang－yan，SUN Guo－zheng.Faults distribution of port cranes metal structure［J］.Journal of Wuhan Transportation University，1999，23（6）：679～680

［4］龔道雄.基于SolidWorks的橋式起重機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì).武漢理工大學(xué)，2009（05）

［5］李陽，梁臻.橋式起重機(jī)大車大梁有限元分析［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，08：22～24

［6］孫肇鵬，劉善增，吳楠.基于ANSYS的雙梁橋式起重機(jī)主梁有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2012，08：115～116