基于Solidworks的塔式起重機(jī)變幅小車機(jī)架的靜力學(xué)分析

紀(jì) 斌 陳興燕

貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 貴州 貴陽(yáng)550003

0 引言

變幅機(jī)構(gòu)是臂架型起重機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)，用于改變起重機(jī)的幅度，即改變吊鉤(或抓斗)中心至起重機(jī)回轉(zhuǎn)中心軸線的水平距離，以適應(yīng)起重機(jī)在不同條件下裝卸物品。其上通常安裝有滑輪組及吊鉤，起到連接起重機(jī)與重物的作用。其是起重機(jī)的主要受力構(gòu)件，變幅小車的失效可能會(huì)導(dǎo)致重大安全事故，造成人員傷亡及設(shè)備事故。因此，變幅小車的安全性能對(duì)起重機(jī)來(lái)說(shuō)特別重要，本文采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的有限元法對(duì)變幅小車機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出結(jié)構(gòu)受力最大位置，分析危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變及位移情況，針對(duì)應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律，給變幅小車機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 變幅機(jī)構(gòu)幾何建模

Solid works三維軟件是一款功能齊全、運(yùn)用廣泛、簡(jiǎn)單易學(xué)的三維建模與分析軟件，很多高校及企業(yè)運(yùn)用此軟件進(jìn)行產(chǎn)品的三維造型設(shè)計(jì)及分析。Si mulation是Solidworks中基于有限元分析設(shè)計(jì)的一個(gè)插件，本文通過(guò)使用Solidworks2015中的該插件對(duì)零部件的三維建模進(jìn)行靜力學(xué)分析。

根據(jù)分析特點(diǎn)，為了縮短分析計(jì)算時(shí)間，在不影響分析結(jié)果的情況下，我們對(duì)變幅小車的三維模型進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，根據(jù)起重量為7t的塔式起重機(jī)變幅小車機(jī)架的結(jié)構(gòu)及參數(shù)對(duì)變幅小車機(jī)架進(jìn)行三維建模，首先按照機(jī)架特征進(jìn)行草圖繪制，采用Solidworks中的各種特征操作，生成變幅小車機(jī)架的三維實(shí)體模型。

2 有限元分析過(guò)程

在Solidworks中打開(kāi)Simulation插件，新建新算例，進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。

1.定義材料。該型號(hào)的變幅小車機(jī)架材料為Q345B，所以我們?cè)谲浖僮鹘缑鎽?yīng)用材料中，對(duì)變幅小車機(jī)架定義材料為Q345B。

2.添加約束和載荷。根據(jù)變幅小車的運(yùn)行情況，對(duì)變幅小車進(jìn)行受力分析，小車主要承受吊物及自身的重力作用，載荷方向向下，其數(shù)值大小為75000 N，載荷作用點(diǎn)主要通過(guò)滑輪組作用在變幅小車機(jī)架中間位置的四根橫桿上面，所以我們通過(guò)插件中的外部載荷添加作用在機(jī)架上的載荷。

變幅小車的通過(guò)機(jī)架的左右兩邊的四個(gè)支撐桿進(jìn)行支撐固定，所以我們通過(guò)插件中的夾具分析對(duì)四個(gè)支撐桿進(jìn)行幾何體約束添加操作。

3.網(wǎng)格劃分。通過(guò)插件的對(duì)變幅小車機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，每個(gè)單元有A個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。本分析采用實(shí)體網(wǎng)格，二階高品質(zhì)單元，共得到24788個(gè)節(jié)點(diǎn)，13663個(gè)單元。

3 有限元運(yùn)算及結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力運(yùn)算結(jié)果分析 變幅小車機(jī)架使用材料是Q345B，材料的屈服極限為345 Mpa，安全系數(shù)取1.3 ，截面的許用應(yīng)力為265 Mpa，從變幅小車機(jī)架有限元分析得到應(yīng)力分布云圖中可以看出變幅小車機(jī)架受力最大處為滑輪支撐橫桿中間位置處，最大應(yīng)力為257 Mpa，沒(méi)有超出截面許用應(yīng)力，因此變幅小車機(jī)架是安全的。

3.2 位移運(yùn)算結(jié)果分析Si mulation分析得到變幅小車機(jī)架位移分布云圖，如圖1所示。從圖中可以得到變幅小車機(jī)架最大位移發(fā)生在滑輪支撐橫桿中間位置，最大位移為0.0 1 mm，方向向下，位移量在許用位移量之內(nèi)，結(jié)構(gòu)安全。

圖1 變幅小車應(yīng)力、位移分布云圖

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析可知，變幅小車機(jī)架的最大應(yīng)力發(fā)生在內(nèi)表面，這很好的反映出所建立的三維模型實(shí)體及有限元分析很接近實(shí)際受力和變形情況。有限元法的應(yīng)力分析大幅度提高了塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的精度，它將是今后塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的主要手段，給塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。