橋式起重機(jī)箱形主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件

薛鵬

摘 要：現(xiàn)今橋式起重機(jī)在各行各業(yè)中被廣泛的使用。橋式起重機(jī)主要是由橋架、大車行走機(jī)構(gòu)和起重小車等組成，現(xiàn)階段使用的橋式起重機(jī)大都是沿用20世紀(jì)60年代后期產(chǎn)生的箱型主梁結(jié)構(gòu)。在橋式起重機(jī)的中箱型主梁也是其重要的組成部分，是整個(gè)機(jī)械重量的百分之六十，所消耗的成本也占到了總成本的百分之五十左右。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷提高和實(shí)際應(yīng)用的要求不斷的提升，起重機(jī)的在成本制造和工作效率上的問題日益明顯，因此如何解決以上問題，對(duì)加速我國(guó)起重機(jī)行業(yè)發(fā)展有重要的意義。本文主要就橋式起重機(jī)箱形主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件方面內(nèi)容展開了分析探討，以供參閱。

關(guān)鍵詞：橋式起重機(jī)；箱形主梁；優(yōu)化設(shè)計(jì)；軟件

1箱形梁橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)分析

1.1分析主梁參數(shù)

建立主梁參數(shù)模型需要依靠ANSYS軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言和有限元模塊分析導(dǎo)重法結(jié)合，在有效節(jié)約時(shí)間方便優(yōu)化過程基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)參數(shù)建模優(yōu)化設(shè)計(jì)等一系列任務(wù)。雙梁橋架的兩個(gè)箱形梁完全相同，且對(duì)稱分布，在ANSYS軟件中建模分析時(shí)，可以采取較大受力的一根箱形梁進(jìn)行單獨(dú)分析，從而有效節(jié)約時(shí)間。根據(jù)箱形梁的結(jié)構(gòu)和尺寸，以及材料類型，可以建立箱形梁的密度、泊松比和彈性的數(shù)據(jù)庫(kù)。ρ=7.8×103kg/m3，μ=0.3，E=206GPa。此外，將箱形梁的其他參數(shù)，如加筋板的數(shù)量、上腹板和下腹板的厚度、左右側(cè)板的厚度、側(cè)板的高度和主梁的長(zhǎng)度等作為建模的參數(shù)，可以使建模更加立體和完整，得到的數(shù)據(jù)更加可靠和具有說(shuō)服力。

1.2劃分主梁網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格是建立主梁參數(shù)化模型后，在有限元分析中的重要環(huán)節(jié)。網(wǎng)格劃分優(yōu)劣程度和質(zhì)量水平能直接影響計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果。由于本文中所涉及的箱形主梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此在劃分網(wǎng)格時(shí)可以采用方便控制單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)的手工劃分方式，并且此種方式能有效保證劃分質(zhì)量。取一單位面積為1×1m2的主梁，將其按照十等分劃分方式，最終得到若干網(wǎng)格和節(jié)點(diǎn)。

1.3箱形梁分析

隨著主梁兩端做橫向運(yùn)動(dòng)的主梁被螺栓固定，因此在主梁兩端固定處加以約束可以得到主梁的加載方式分為四種情況：第一，小車在起重機(jī)滿載時(shí)位于主梁最左制動(dòng)，制動(dòng)加速度為a；第二，吊物荷載位置與工作位置相同，在起重機(jī)滿載情況下，該位置與兩根主梁在同一平面內(nèi)制動(dòng)，制動(dòng)加速度為a；第三，主梁中心部位被最大輪壓作用，起重機(jī)滿載輪壓方向與主梁自重同向制動(dòng)，制動(dòng)加速度為a；第四起重機(jī)空載主梁制動(dòng)，制動(dòng)加速度為a。

2箱形梁腹板的優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的橋架結(jié)構(gòu)主要包括單主梁橋架、空腹橋架以及波形腹板，其中波形腹板是橋梁起重機(jī)箱形梁中平直腹板優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果，通過設(shè)定波形腹板的波形變化規(guī)律，來(lái)擴(kuò)大腹板的承載面積。橋式起重機(jī)箱形梁腹板所承受的壓力來(lái)自兩個(gè)方面，首先是平面壓力，也是主要的壓力，其次為彎矩荷載作用。而在受力面積相同的條件下，平直腹板同波形腹板相比受壓能力較差。雖然隨著箱形梁平直腹板轉(zhuǎn)變?yōu)椴ㄐ胃拱?，腹板豎直方向上的穩(wěn)定性有所提高，腹板的自身重量也相對(duì)減少，但是腹板水平剛度同波形腹板之間的抗扭剛度也會(huì)因此而減小，導(dǎo)致該部位成為薄弱的環(huán)節(jié)，影響到橋式起重機(jī)的性能，故而，必須對(duì)箱形梁的腹板進(jìn)行優(yōu)化配置，在減輕箱形梁自身重量的同時(shí)提高起重機(jī)性，現(xiàn)就對(duì)以下幾種配置方案進(jìn)行研究。（1）一個(gè)波形腹板和一個(gè)平直腹板。在水平方向上，波形腹板的剛度小于平直腹板，在垂直方向上，波形腹板的剛度大于平直腹板，此種設(shè)計(jì)方案同時(shí)考慮到了平直腹板和波形腹板的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，應(yīng)用折中的設(shè)計(jì)思路，使得二者在垂直方向和水平方向的剛度到達(dá)更好的狀態(tài)，是比較理想優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可應(yīng)用于實(shí)際操作中。（2）兩個(gè)波形腹板通向配置。采用兩個(gè)波形腹板通向配置的方案時(shí)，由于兩個(gè)腹板之間有相位差，使得該方案的缺點(diǎn)較大。在此方案中，兩個(gè)波形腹板的水平剛度與抗扭剛度均不是理想狀態(tài)，這就導(dǎo)致在大車運(yùn)行過程中，橋式起重機(jī)的水平方向上的沖擊力過大而且箱形梁主梁的水平剛度減小，造成主梁產(chǎn)生較大的形變，嚴(yán)重影響到橋式起重機(jī)的性能，甚至引發(fā)安全事故。故而此種方案在橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中是不允許的，不符合實(shí)際應(yīng)用的要求。（3）兩種波形腹板反向配置。兩個(gè)波形腹板的反向配置會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)腹板之間距離的不斷改變，從而導(dǎo)致腹板水平方向上的剛度均勻性受到影響，影響整個(gè)箱形梁的穩(wěn)定性，故而，該方案的也不建議在實(shí)際作業(yè)中應(yīng)用。由以上三種腹板配置方案可以看出，波形腹板雖然受壓能力大于平直腹板，但是僅采用兩個(gè)波形腹板，不管是通向配置還是反向配置都是不可取的，只有將一個(gè)平直腹板和一個(gè)波形腹板結(jié)合使用才能使垂直和水平剛度達(dá)到最好的狀態(tài)，從而更好地應(yīng)用于實(shí)際。

3主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件開發(fā)

對(duì)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)，以軟件的形式集成起來(lái)配以簡(jiǎn)潔的界面、方便的操作和形象化的結(jié)果輸出就能極大地方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)研究。因此本文將運(yùn)用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法，選擇Delphi7.0開發(fā)主梁的設(shè)計(jì)軟件。（1）登陸窗體的建立。（2）主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算窗體的建立。該計(jì)算窗體及內(nèi)部的程序?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)軟件的核心部分。計(jì)算窗體表單上包含對(duì)起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所需要的一些起重機(jī)的基本參數(shù)，如起重機(jī)跨度、起重機(jī)工作級(jí)別、起重量、主梁材料等；也包含起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)前的一些參數(shù)，如原主梁自重、小車軌距、小車輪距、大車輪距、運(yùn)行機(jī)構(gòu)自重、端梁尺寸等；還包括對(duì)設(shè)計(jì)變量的一些約束，如主梁腹板高厚比、腹板工藝所要求的厚度最大最小值等。為便于進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算，本軟件還人為的對(duì)設(shè)計(jì)變量（此處設(shè)計(jì)變量是指主梁的上下蓋板厚，左右腹板厚，左右腹板內(nèi)間距等）進(jìn)行上下界的確定，初始點(diǎn)的選取等。其中優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算程序依據(jù)SUMT-POWELL程序框圖進(jìn)行。該計(jì)算窗體下又有小車軌道選擇子窗體、端梁尺寸輸入子窗體以及結(jié)果顯示子窗體。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在橋式起重機(jī)箱形梁中波形腹板的受力情況優(yōu)于平直腹板，而在設(shè)計(jì)過程中，采用一個(gè)平直腹板和一個(gè)波形腹板的配置方案更加適用于實(shí)際應(yīng)用。經(jīng)分析，兩種腹板有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此在橋式起重機(jī)箱形梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要進(jìn)行綜合考慮，節(jié)約材料，減少起重機(jī)自身重量，在最大程度上提高橋式起重機(jī)的性能，同時(shí)也要保證起重機(jī)的安全系數(shù)符合實(shí)際操作。

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