基于GB/TGB/T38113811的桁架門式起重機結構有限元分析后處理實現(xiàn)

董天東　張占輝

（河南省特種設備安全檢測研究院，河南　鄭州　45500000000）

基于GB/TGB/T38113811的桁架門式起重機結構有限元分析后處理實現(xiàn)

董天東張占輝

（河南省特種設備安全檢測研究院，河南鄭州45500000000）

本文主要論述了桁架門式起重機結構有限元分析后處理技術的實現(xiàn)，從有限元分析的原理出發(fā)，結合起重機械設計規(guī)范GB/T3811-2008的核算要求，論述了采用APDL語言編程處理桁架門式起重機結構分析的強度、穩(wěn)定性驗算以及結果輸出文件的處理過程，為更高效地利用有限元對起重機械金屬結構分析后的計算結果提供一種參考，同時也方便研究人員對計算結果的讀取理解。

桁架門式起重機；有限元；后處理

桁架門式起重機的金屬結構具有自重輕、迎風面積小、承載能力大等特點，從而得到廣泛使用［1］，尤其是在起重量為中小噸位的門式起重機上的應用最具代表性，同時該類型起重機也是河南省起重機械產業(yè)的主導產品。目前我國把起重機械列入特種設備進行安全管理，采取制造許可、型式試驗以及監(jiān)督檢驗和定期檢驗等手段加強全生命周期內的安全評價，但受技術水平和人才優(yōu)勢的制約，大量中小企業(yè)缺少計算和分析能力，型式試驗機構人員面對大量該類型的起重機也亟須采取一種快速、高效的手段進行核算，而有限元分析技術被認為是目前最有效的手段之一，但在采取有限元分析技術時，筆者發(fā)現(xiàn)國內大量論述集中在為解決耗費工作量問題的參數(shù)化建模方面，對分析結果的后處理技術介紹較少，為此本文結合起重機設計規(guī)范GB/T3811-2008中對起重機金屬結構強度、穩(wěn)定性的核算規(guī)則和驗算要求，對后處理技術的實現(xiàn)做一提煉，供國內同行和起重機制造企業(yè)的分析人員參考。

1　實現(xiàn)原理

目前公認的對起重機金屬結構分析有效的工具是有限元分析技術，其分析過程常是建模、求解和后處理。這里的求解就是根據(jù)有限元相關技術求解節(jié)點位移，進而求解出內力和應力的過程，而求解完成問題后，會把計算結果保存在一個表里面，表的行是單元的編號，表的列是單元的計算結果，如節(jié)點位移、節(jié)點力、應力、應變等，結合建模過程中單元的基本參數(shù)，是可以根據(jù)起重機設計規(guī)范的要求，分別計算各單元的強度和穩(wěn)定性，如通過遍歷全部桿件，并根據(jù)計算出的內力結果進行比較，就完成了后處理的可視化，流程如圖1所示。現(xiàn)在的問題關鍵是起重機設計規(guī)范和有限元計算結果的有機結合，也就是所謂后處理，觀察和分析有限元的計算結果，來判定計算是否正確。

圖1　后處理分析流程圖

本文以有限元分析軟件ANSYS來論述，在ANSYS 中Beam188作為三維線性有限梁單元常被用來分析空間桁架結構，運用APDL語言開發(fā)后處理的宏文件，提取ANSYS軟件計算的結果，運用我國《起重機設計規(guī)范》計算公式，合理簡化后核算起重機結構的強度和穩(wěn)定性，其中穩(wěn)定性驗算是空間雙向壓彎構件的梁桿單元在彈性的理論假設下的穩(wěn)定性分析。

2　后處理技術的實現(xiàn)及結果輸出

后處理基本功能包括數(shù)據(jù)提取和準備、穩(wěn)定與強度判斷和基本數(shù)據(jù)輸出三部分。

2.1數(shù)據(jù)的提取和準備

正如上所示，ANSYS求解完成問題后，會把計算結果保存在一個表里面，表的行是單元的編號，表的列是單元的計算結果，如節(jié)點位移、節(jié)點力、應力、應變等，ETABLE這個命令就是把表中的某個列取出來，賦值給某個自定義的向量，再通過*GET命令可以指定某個具體的單元，就可以把該單元對應計算結果取出來。

梁的軸力和彎矩是常用的力學參數(shù)，Beam188的后處理中提供了線性的應力輸出作為SMISC輸出命令的一部分，命令格式如下［2］：

ETABLE，Lab，Item，Comp！將單元值生成一個表以便進一步的處理。

命令選項解釋：

Lab——用戶自定義的表名；

Item——選項名稱，這里是SMISC；

Comp——選項的欄目名，見表1；

表1　BEAM188部分選項名稱、命令與欄目序號

SMISC輸出命令的輸出項目對應一個序列號，如i節(jié)點的軸力序號為1，則i節(jié)點處的軸力列表命令為“ETABLE，forx_i，SMISC，1”。

2.2計算許用應力、復合應力和彎曲應力

首先要根據(jù)金屬材料的屈強比計算許用應力，對于中小噸位的桁架門式起重機常使用Q235b，屈強比0.51～0.63［3］，所以根據(jù)文獻［3］，其許用應力計算：式中［σ］——鋼材的基本許用應力（MPa）；

式中〔σ〕——鋼材的基本許用應力（MPa）；

σs——材料的屈服極限（MPa）。

n——與載荷組合類別相對應的安全系數(shù)；

進而獲取單元總數(shù)和單元的最小編號，并定義與單元總數(shù)維數(shù)相同的數(shù)組P_WSS存儲彎曲應力，P_SMISS存儲復合應力。

應力計算代碼如下（K為遍歷到的第K個桿件單元編號）：

2.3計算穩(wěn)定系數(shù)

穩(wěn)定系數(shù)的計算是穩(wěn)定性計算中的重點和難點，GB/T3811-2008版設計規(guī)范中考慮了構件的工藝和截面型式對穩(wěn)定系數(shù)的影響，所以需要用戶根據(jù)截面類別獲取計算系數(shù)，然后根據(jù)計算公式求得穩(wěn)定系數(shù)，進而求得穩(wěn)定許用應力。定義數(shù)組P_EF存儲穩(wěn)定系數(shù)，定義數(shù)組P_BUCKLS為穩(wěn)定許用應力，進而將公式編入APDL程序即可完成計算。程序進入循環(huán)后依次獲取當前單元編號的長度、軸應力、面積、抗彎模量等數(shù)據(jù)，進而計算長細比λ和λn。計算簡要代碼如下：

計算穩(wěn)定系數(shù)時，長細比不同對應著不同的計算式，使用判斷語句來選擇計算公式。判斷及計算代碼如下：

2.4數(shù)據(jù)文件輸出

數(shù)據(jù)文件的輸出是將上述計算得到的數(shù)組輸出到某文件供查看的過程。需要使用的APDL宏命令如CFOPEN，CFWRITE等命令，下面以危險構件的判斷與輸出為例，簡要說明技術實現(xiàn)。

穩(wěn)定計算中長度計算系數(shù)有L_N（3）三種情況，因而每個單元對應了三種穩(wěn)定許用應力。此外，工程中往往需要判斷失穩(wěn)或強度不足的構件具體位置和具體截面形式，因此，程序判斷并輸出了構件的截面名稱。多次判斷后輸出，簡要代碼如下：

程序中加入的判斷語段，把每個單元的復合應力P_SMISS（k）與許用應力對比，軸向應力與穩(wěn)定許用應力對比，不滿足強度或穩(wěn)定性的單元標記為危險單元，輸出到文件中供分析者查看，如表2所示。

表2　部分危險單元數(shù)據(jù)

部件建模的宏文件中已經把各部件模型分組，后處理程序利用分組對每組中的桿件根據(jù)軸向力排序，輸出軸向力最大的10根桿件的受力情況，為設計者提供更改模型的數(shù)據(jù)依據(jù)。如主梁的下主弦數(shù)據(jù)如下表3所示：

3　結論

本文根據(jù)起重機設計規(guī)范GB/T3811-2008中的強度、剛度和穩(wěn)定性要求，探討了有限元分析后處理技術的實現(xiàn)，包括規(guī)范中的強度和剛度計算方法和軸心受壓和雙向壓彎的穩(wěn)定理論，其中包括許用應力、單肢長細比、格構式構件等效長細比、歐拉臨界力、穩(wěn)定系數(shù)、穩(wěn)定許用應力的計算方法，并從這些基礎算法中提取出準確、有效且適用于編程的算式。同時通過提取ANSYS的單元內力，計算其復合應力完成強度校核。運用程序語言，將起重機設計規(guī)范中的穩(wěn)定計算理論，結合ANSYS通用后處理數(shù)據(jù)應用于桁架門式起重機的自動化分析與校核，實現(xiàn)了自動判斷桁架門式起重機金屬結構是否滿足強度、剛度和穩(wěn)定性要求。

［1］虞和謙，王金諾，包起帆.起重機設計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，1998.

［2］ANSYS Element reference V11.0.

［3］GB/T 3811-2008.起重機設計規(guī)范［S］.北京：國家標準出版社，2008.

The Implementation of Finite Element Analysis Post-Processing on Truss-Type Gantry Crane based on GB/T3811

Dong Tiandong Zhang Zhanhui
（Henan Institute of Special Equipment Safety Inspection and Testing，Zhengzhou Henan 450000）

This paper mainly discusses the implementation of finite element analysis post-processing technology on truss-type gantry crane，starting from the principles of finite element analysis，combined with the calculation requirements of the design rules（GB/T 3811-2008）for cranes，describes the process of treating the analyzed strength，stability verification and calculation，and results output of truss-type gantry crane structure by APDL language programming.It provides a reference for a higher efficient using of the calculation results analyzed on the crane mental structure by finite element，and it is also convenient for the researchers to read and understand the calculation results.

truss-type gantry crane；the finite element；post-processing

TH213

A

1003-5168（2015）10-0032-4

2015-9-11

國家質檢總局科技計劃項目電動葫蘆門式起重機型式試驗結構分析與評價系統(tǒng)的開發(fā)（2013QK105）。

董天東，男，漢族，工程師，研究方向：特種設備安全檢驗技術。