基于有限元的橋式起重機小車車架優(yōu)化設(shè)計

張曉飛， 王洪新， 鄔志軍， 劉建樹， 葛干

（皖西學(xué)院機械與車輛工程學(xué)院，安徽六安237012）

0 引 言

現(xiàn)代起重設(shè)備具有大型化、高速化、專用化、智能化、精確化、制造柔性化等特點和發(fā)展趨勢[1]。目前，國外許多知名的起重機制造企業(yè)都采用了輕量化的設(shè)計方法，并取得比較客觀的經(jīng)濟效益。在保證起重設(shè)備使用性能的前提下，減小起重機小車車架的質(zhì)量，可以簡化起重設(shè)備結(jié)構(gòu)，降低外形高度，減小起重機整機設(shè)備的質(zhì)量，從而達到降低產(chǎn)品成本和能耗的目的，可以促進起重設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)升級，提高產(chǎn)品的市場競爭力。

1 橋式起重機小車車架受力分析

橋式起重機小車作為起重機與貨物直接接觸的設(shè)備，其質(zhì)量主要由車架決定。小車車架主要由減速器側(cè)端梁、電動機側(cè)端梁、主動輪側(cè)橫梁、中間橫梁、從動輪側(cè)橫梁及滑輪臂架組成。各部件均由不同規(guī)格的鋼板焊接而成，具有制造安裝容易、迎風(fēng)面積小、承載能力大、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，適用于中小起重量及工作繁忙的場合[2]。本文主要針對某廠的10 t/16 m規(guī)格起重機小車車架進行優(yōu)化設(shè)計，具體參數(shù)如表1、表2所示。

表2 起重機主要部件質(zhì)量參數(shù) kg

橋式起重機小車結(jié)構(gòu)要滿足強度、剛度要求,也沒有必要讓結(jié)構(gòu)的承載能力過于富余。小車的工況不同，所承受的載荷也不同，對其最惡劣的工況進行分析，如果滿足強度要求，則其他工況也相應(yīng)滿足要求。起重機的工作示意圖如圖1所示，其中：x方向為小車運動方向，z方向為重物起升方向，y方向為大車運動方向。

圖1 橋式起重機工作示意圖

圖2 極端情況下小車受力簡圖

小車正常工作（違規(guī)操作除外，如翻車等）分為3種工況，分別為：1）小車滿載時起升、卸載重物情況；2）小車滿載時在橋梁上起動、制動情況；3）小車滿載時大車起動、制動情況。這3種情況下，小車分別會在x方向、y方向、z方向受到最大的外部載荷作用，其中部分載荷的計算涉及到滑輪組的倍率。相比較小車自身的重力來說，起吊的重物的重力要大得多，而且小車和大車突然啟動的加速度要遠小于重力加速度，所以起重機小車工作最不利的情況是3種工況同時發(fā)生（如圖2），即：滿載狀態(tài)下，在重物起升的瞬間，大小車同時啟動，此時小車架受到x、y、z方向的載荷的矢量和，此時，小車車架所承受的沖擊載荷要遠遠比其他工況所承受的沖擊載荷大得多。10 t/16 m規(guī)格起重機載荷計算如表3所示。

表3 極端情況下車架受力值 N

橋式起重機工作時會頻繁地進行起吊重物，重物的載荷完全由小車車架承擔(dān)，小車橫梁在此載荷作用下會產(chǎn)生彈性下?lián)献冃?，從而造成電動機及滑輪組運行阻力增加，影響起重機的工作效率及性能。為了避免此情況的出現(xiàn)，須對小車車架撓度進行校核。

起重機的撓度和最大許用應(yīng)力值的計算[3]：

式中：L為起重機最短梁的長度，本文即橫梁的長度，L=1704 mm；n為安全系數(shù)，此處取1.5；σ為材料的屈服極限，此處材料為Q235，屈服極限[σ]=235 MPa。計算得：[f]=0.85 mm；σmax=156.7 MPa。

2 橋式起重機小車有限元模型的建立

橋式起重機小車有限元模型的建立分為對模型的簡化、網(wǎng)格劃分及約束和載荷施加等3個方面。

2.1 模型的簡化

橋式起重機小車的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，如果完全按照實物建立模型進行分析，不僅計算量會很大，而且也會影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量，影響分析的結(jié)果。完全相同的實體模型實際上是不必要的，有時候甚至是不可能的。所以，在建立有限元模型時，在不影響最終分析結(jié)果的前提下，將一些不必要的細節(jié)進行壓縮簡化處理是必要的。本文在建立有限元模型時，把一些孔、螺栓及倒角等不影響整體機構(gòu)性能的特征刪除，利于單元的規(guī)則，通過CREO軟件分別對小車架的各個組件（端梁、橫梁、滑輪臂架、蓋板等）進行三維建模，然后利用軟件的裝配模塊，對各個組件進行裝配，如圖3所示。這種板式焊接結(jié)構(gòu)在我國目前橋式起重機小車的設(shè)計中具有代表性，許多廠家都是以這種方式進行生產(chǎn)的。

圖3 橋式起重機小車車架三維模型

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元模型建立的重要一環(huán)，對分析結(jié)果和精度產(chǎn)生直接影響[4]。在ANSYS Workbench中劃分網(wǎng)格時，考慮到小車車架由鋼板焊接成型，各鋼板連接處應(yīng)力分布不規(guī)則，故選擇6面體單元進行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格尺寸過大會影響分析結(jié)果的精度，而過小則會造成分析過程計算量過大[5]。在保證不影響分析結(jié)果的前提下，網(wǎng)格尺寸盡可能選取較大尺寸，結(jié)合小車的結(jié)構(gòu)尺寸，網(wǎng)格尺寸選擇0.02 m。對于有些組件采用sweep方式劃分網(wǎng)格時出現(xiàn)錯誤，采用自由網(wǎng)格對這些組件進行二次劃分[6]。

圖4 小車車架模型的網(wǎng)格劃分

劃分完成后，共有222 075個節(jié)點，30 657個單元，如圖4所示。

小車車架材料為Q235鋼，具體參數(shù)如表4所示，在定義材料時可直接選為結(jié)構(gòu)鋼。對小車進行力和約束的添加，如圖5所示。

表4 小車架材料屬性

圖5 小車車架的約束和載荷

3 對有限元模型的分析和求解

對小車車架等效應(yīng)力進行求解，對小車車架位移進行求解，求解的結(jié)果如圖6和圖7所示。通過應(yīng)變分布圖可以得出：在小車極限工況下，滑輪臂架位移最大為0.38 mm。通過應(yīng)力分布圖可以得出：小車在最不利工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在靠近從動輪的橫梁上，最大值為127.5 MPa。

圖6 小車架位移分布圖

分析結(jié)果與式（1）、式（2）對比，可見小車的變形和最大應(yīng)力比極限值要小很多。故小車車架在一定程度上材料的利用有富余，有比較大的優(yōu)化空間。

4 對小車車架的優(yōu)化

優(yōu)化設(shè)計是改進現(xiàn)有設(shè)計并尋求最優(yōu)方案的一種方法[7]。本文采用有限元軟件Workbench中的優(yōu)化模塊Goal Driven Optimization (目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化) 對模型進行優(yōu)化設(shè)計，最終目的是在不改變小車結(jié)構(gòu)的前提下減少小車的質(zhì)量，提高材料的利用率。以小車車架的質(zhì)量作為設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，以最不利工況下的最大位移、最大應(yīng)力作為約束條件，建立數(shù)學(xué)模型：

圖7 小車架應(yīng)力分布圖

約束條件：

h(x)≤156.7 MPa；

g(x)≤0.85 mm；

x1;x2;x3;x4;x5;x6=1;2;3;4;5;6……。

其中：F(x)為起重機小車質(zhì)量；x1、x2、x3、x4、x5、x6分別為減速器側(cè)端梁的上頂板和下底板厚、主動輪側(cè)橫梁和中間橫梁縱板厚度、卷筒側(cè)端梁上頂板和下底板厚度；h(x)、g(x)為小車最大應(yīng)力及最大變形量。由于鋼板的厚度嚴格遵照國家標(biāo)準，是一個離散變量，所以各鋼板的厚度取國家標(biāo)準厚度。

優(yōu)化前后小車車架鋼板厚度如表5所示。優(yōu)化后的車架應(yīng)變圖、應(yīng)力圖如圖8、圖9所示。

可以看出，在優(yōu)化的基礎(chǔ)上完成圓整以后，小車車架僅比簡化后的原車架輕了91.17 kg，減少了13.6%，符合本次優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。

表5 原車架和優(yōu)化后的車架參數(shù)對比

5 結(jié) 論

本文通過對10 t/16 m規(guī)格的橋式起重機小車車架的優(yōu)化設(shè)計研究，提出了一套針對起重機小車車架輕量化的設(shè)計方法和實例依據(jù)，從而可以大大提高產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計的效率和質(zhì)量。但是本文只考慮了現(xiàn)有小車結(jié)構(gòu)鋼板厚度的優(yōu)化，實際生產(chǎn)中涉及到整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題時，還需做更進一步的討論和研究。

圖8 圓整后小車車架位移圖

圖9 圓整后小車車架應(yīng)力圖