利用CAD/CAE技術(shù)分析和優(yōu)化橋式起重機(jī)主梁設(shè)計(jì)

吳鋒　馮建平

中國(guó)石油化工集團(tuán)公司物資裝備部

1 前言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛和機(jī)械工業(yè)的發(fā)展，起重機(jī)在人們生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣，其形式和種類也越來(lái)越多，以滿足不同場(chǎng)合的需要。

筆者在對(duì)一起重機(jī)企業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該企業(yè)采用了三小車外加一電動(dòng)葫蘆的結(jié)構(gòu)型式（QES40/20+20/5t）。該企業(yè)設(shè)計(jì)人員采用傳統(tǒng)手工計(jì)算發(fā)現(xiàn)要求噸位的起重機(jī)若采用常規(guī)截面，雖然強(qiáng)度驗(yàn)算符合要求，但主梁下?lián)隙葘⑴c許用撓度相差無(wú)幾?？紤]到原材料偏差和制造加工誤差，設(shè)計(jì)人員打算增大截面，以提高安全系數(shù)。為了幫助企業(yè)節(jié)約材料，降低生產(chǎn)成本，筆者采用目前最先進(jìn)的有限元分析方法對(duì)該起重機(jī)進(jìn)行了模型重建及有限元分析，以確定截面值及其安全性能。

2 有限元模型建立

2.1 起重機(jī)主要性能參數(shù)

該橋式起重機(jī)與普通橋式起重機(jī)不同，它有三個(gè)小車，起升載荷分別為40t和20t，另外在主梁一側(cè)走臺(tái)下還掛著一個(gè)5t的電動(dòng)葫蘆。主要性能參數(shù)為：額定載荷：40t；跨度：23m；小車軌距：3.6m；工作級(jí)別：A5；葫蘆用工字鋼：30#特殊工字鋼；40t小車自重10.884t；20t小車自重5.835t；5t電動(dòng)葫蘆自重0.631t；結(jié)構(gòu)件材料采用Q235B，主梁截面尺寸如圖1所示。

圖1 主梁截面尺寸

2.2模型建立

本文采用ANSYS進(jìn)行分析驗(yàn)證，版本為11.0。考慮到對(duì)于大型設(shè)備，ANSYS的建模功能相對(duì)于其他三維設(shè)計(jì)軟件薄弱，故本文采用主流三維設(shè)計(jì)軟件之一的Unigraphics進(jìn)行該起重機(jī)的三維建模。建立好的起重機(jī)橋架模型如圖2所示。

圖2 橋架模型

Unigraphics軟件除具有強(qiáng)大的三維實(shí)體建模與裝配建模外，還具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)分析、干涉檢查、仿真運(yùn)動(dòng)及載荷分析功能。其網(wǎng)格劃分及載荷添加功能，運(yùn)行速度較ANSYS快，操作更為直觀。故本模型在Unigraphics中劃分網(wǎng)格、添加載荷和約束。對(duì)于起重機(jī)而言，采用的是鋼板焊接成型，所用鋼板厚度相對(duì)于梁截面的高度和寬度較小，宜采用有限元中的SHELL模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分[1]。故本文采用SHELL63單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格[2]。

雙梁橋式起重機(jī)是由四個(gè)大車車輪支撐在軌道上行走的。因此，可參照空間簡(jiǎn)支梁來(lái)對(duì)橋架施加約束：在一側(cè)端梁兩端車輪支撐處施加沿Z方向的約束，另一側(cè)相同部位施加沿Y和Z方向的約束。采用自由網(wǎng)格劃分后的有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

3 分析和驗(yàn)證

3.1 工況一

該起重機(jī)主梁設(shè)計(jì)載荷為40t，實(shí)際可能的最不利工況為中間40t小車在跨中起吊額定載荷，其余小車離跨中最小距離，同時(shí)5t電動(dòng)葫蘆位于跨中，如圖4所示。針對(duì)此工況對(duì)模型施加相應(yīng)載荷，如圖3所示。將Unigraphics生成的有限元分析文件導(dǎo)入ANSYS，形成ANSYS的節(jié)點(diǎn)、單元及相應(yīng)的約束與載荷，然后進(jìn)入ANSYS進(jìn)行問(wèn)題的求解。計(jì)算所得位移云圖如圖5所示。

圖4小車位置圖

圖5 工況一主梁位移云圖

從圖5中可得跨中最大下?lián)现禐?5.898mm。該起重機(jī)設(shè)計(jì)工作級(jí)別為A5，跨度L=23m，故許用跨度：[f]=L/800=23000/800=28.75mm[3]。還有一定的余量，符合要求。

3.2 工況二

該企業(yè)由于技術(shù)力量比較薄弱，設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)時(shí)比較保守。該企業(yè)提供的技術(shù)資料中對(duì)主梁下?lián)系挠?jì)算采用的是最不利工況條件：將所有小車及葫蘆的重量均放于跨中進(jìn)行驗(yàn)算，得出下?lián)现禐?8.13mm，此值的確與許用值相差無(wú)幾。但手工計(jì)算中沒(méi)有考慮主梁內(nèi)各筋板的作用。故在此以所有載荷均位于跨中進(jìn)行有限元計(jì)算。在Unigraphics中針對(duì)工況二對(duì)模型施加載荷后，轉(zhuǎn)入ANSYS進(jìn)行分析，得位移云圖如圖6所示。

從圖中可得跨中最大下?lián)现禐?7.25mm。可見主梁內(nèi)筋板的效果不可忽視。該截面還是可以滿足使用要求的。另外工況二下的應(yīng)力云圖如圖7所示，由于從Unigraphics導(dǎo)入到ANSYS后，如不對(duì)單位制進(jìn)行改動(dòng)，得到的應(yīng)力單位為kPa，故最大應(yīng)力為123MPa。Q235B許用應(yīng)力為135MPa[4]，符合要求。

圖6 工況二主梁位移云圖

圖7 工況二主梁應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文利用主流軟件Unigraphics和ANSYS，對(duì)采用三小車加一電動(dòng)葫蘆結(jié)構(gòu)型式的主梁進(jìn)行了有限元分析。與手工計(jì)算相比，對(duì)起重機(jī)的有限元計(jì)算充分考慮了各大小筋板的作用及結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，能更真實(shí)地反映設(shè)備的綜合性能。通過(guò)對(duì)最不利工況和實(shí)際工況的計(jì)算分析，表明該起重機(jī)現(xiàn)行設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足要求，無(wú)需增大截面。利用CAD/CAE技術(shù)，將為企業(yè)節(jié)省大量生產(chǎn)成本，在確保安全的前提下，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

[1]謝慧超，陳傳勝，孟亞. 基于CAE理論的起重機(jī)箱形梁有限元分析. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2005，2.

[2] 秦宇. ANSYS11.0基礎(chǔ)與實(shí)例教程. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3] GB/T 3811-2008. 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范.

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