对桥式起重机桥架结构的三维有限元的分析陈玉莲

对桥式起重机桥架结构的三维有限元的分析陈玉莲

陈玉莲

（河北省电力建设第二工程公司河北石家庄050041）

摘要：桥式起重机是生产车间中应用广泛的一种固定式起重设备。金属桥架是桥式起重机的重要组成部分，用以支撑整机的机械、电器设备以及被起升的重物，承受并传递作用在起重机上的各种较为复杂的载荷。近年来，国内外在机械产品设计中更多地采用动态仿真设计方法，即用计算机仿真理论和软件对机构和结构在各种工况下进行动态分析，获得虚拟样机运行过程中的载荷、速度、加速度和位置等的变化，以此来预测实际运行机构和结构的动力学性能。目前，国内外机械结构的动力学主要采用Adams动态仿真得到机构实际运行的各种数据，但在刚度和强度分析上还要借助有限元分析软件来进行。Marc具有处理几何非线性、材料非线性、包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性等的超强能力，可以处理各种结构静力学和动力学（包括模态分析、瞬态响应分析、简谐响应分析和谱响应分析）问题，温度场分析以及其他多物理场耦合问题。

关键词：桥式起重机；桥架结构；三维有限元

本文在采用大型有限元分析软件ANSYS建立桥式起重机桥架结构全三维模型的基础上，充分考虑了能代表起重机桥架结构实际极限承载状况的多种载荷组合，以之对某种规格的桥式起重机桥架结构进行静力分析，得到此类桥式起重机桥架结构应力大小及分布状况，其结果不仅可为起重机桥架结构的设计提供参考，同时可为在役桥式起重机承载能力可靠性的评估研究做一些基础性的工作。

1桥架变形对起重机性能的影响

（1）影响小车运行。由于变形到一定程度时，小车轨道将会因变形而产生坡度，这样小车在运行当中还要克服爬坡的附加阻力。最可能的是制动后小车会产生溜车现象，致使起重量下降而发生安全事故。

（2）影响大车运行机构正常工作。起重机主梁下挠后，装置大车移动机构走台也可能会相应的出现这个现象，导致联轴器偏斜角增大而磨损增加。这直接可能导致齿断，甚至大车不能工作。

（3）影响小车轮与轨道接触。由于变形程度不一样而使主梁结构不对称，导致4个轮子不能同时与轨道接触，易出现受力不均产生啃轨现象而发生事故。

（4）加剧桥架的震动。当起重机突然制动的时候可能会产生震动。

（5）对主梁金属结构的影响。当发生严重下挠时，主梁下盖板和腹板的拉应力达到屈服极限，甚至会出现裂纹或脱焊。如果起重机继续频繁工作，将可能使主梁报废。

2桥式起重机桥架结构三维有限元模型的建立

某种规格的起重机桥架结构为中轨箱形，内部设置有纵向长加筋板，主梁内部还设置有纵向短加筋板。整个桥架结构对称，考虑到不同工况下的载荷组合方式不利于利用对称性，因此建立了完整的桥架结构的全三维有限元模型。

2.1桥架结构的几何模型及相关参数

该桥式起重机部分相关参数如下：

额定起重量10t

工作级别A5

重总量19t

跨度16500mm

小车轮距1400mm

小车总量3.5t

桥架结构采用CAD软件Pro/E建立几何模型，然后利用ANSYS提供的与Pro/E软件的接口程序导入到ANSYS中，并作一些相应的处理。起重机主梁是桥架结构受力的主要支撑部分，

其主要的尺寸图如图1所示。

图1

2.2建立有限元模型

2.2.1单元分析类型

选用单元类型为三维壳单元SHELL63，单元元素由4个节点组合而成，每个节点具有X、Y、Z位移方向及X、Y、Z旋转方向的6个自由度。该单元能较为真实的反应桥架结构的实际承载状况。

2.2.2实常数输入

起重机桥架材质为A3钢。主要性能参数及实常数分别为：弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，主梁腹板及下盖板厚度为6mm，其它各板的板厚为8mm。

2.2.3网格的划分

对桥架结构几何模型的规则面采用映射划分，不规则面则采用自由网格划分，同时对过渡区作相关的处理。网格划分的精度能够保证求解结果尽量精确。整个模型划分的单元总数为174670个，节点数为176140个。

3载荷及约束条件的施加

3.1载荷的确定与施加

作用在起重机桥架结构上的外载荷可以分为固定载荷和活动载荷，其中固定载荷包括由桥架、轨道、走台和栏杆等的重量所产生的均布载荷和由司机操作室、大车运行机构以及布置在走台上的电器设备等的重量所产生的集中载荷；活动载荷由小车自重及起吊重物引起的以轮压形式作用在桥架结构上的载荷。载荷的确立考虑了不同载荷组合下的动载系数和冲击系数，并确定起升冲击系数φ1=1.1，起升载荷动载系数φ2=1.08。按如下2种载荷组合工况对桥式起重机桥架结构进行加载。工况1：小车位于跨中满载下降制动同时小车启动（或制动），以确定跨中危险截面的最大弯曲应力和最大挠度。工况2：小车位于跨端满载下降制动同时大车启动（或制动），以确定主梁端部支撑截面上的最大剪应力。考虑大车的制动时，桥架所受到的载荷还包括水平惯性载荷：由满载起升小车引起的集中惯性载荷Pg和桥架自身质量引起的均布惯性载荷qg。

3.2约束条件的施加

以上2种载荷组合工况中，对两端梁的大车轮毂支撑面处施加全约束，即约束4个支撑面处X、Y、Z方向的平移自由度和X、Y、Z方向的旋转自由度。

3.3求解

选用前置条件共轭梯度法（PCG）求解器进行求解。该方法属于间接迭代求解，适合于大型模型的线性结构分析，且具有求解速度快的优点。

4计算结果分析

对以上2种载荷组合工况进行计算，利用AN-SYS强大的后处理功能对计算结果进行分析、比较。载荷组合工况1下桥架结构Y方向（下扰）位移云图司机室端极限位置时，主梁端部支撑截面上的剪应力。利用ANSYS后处理的列表显示及排序功能，可得到水平方向上最大剪应力SYZ在小车左轮附近位置，其最大剪应力为56.849MPa。

以上2种载荷组合工况是桥式起重机在工作过程中桥架结构所受到的最恶劣的承载状况，对其进行强度和刚度分析如下。a.强度分析由载荷组合工况1和工况2的分析结果，主梁中间截面的最大应力σmax=171.528MPa，主梁支撑截面的最大剪应力τmax=56.849MPa，查表[6-7]得A3钢许用应力[σs]=240MPa/1.33=180.5MPa，许用剪应力[τ]=[σs]/3=104.2MPa，故σmax<[σs]，τmax<[τ]，强度均满足要求。b.刚度分析由载荷组合工况1的分析结果，竖直方向最大位移UY=8mm，水平方向最大位移UZ=1mm，计算得到[4，8]工作级别为A5的桥式起重机垂直扰度许用值[f]=L/700=24mm，水平扰度许用值[fg]=L/2000=8mm，故f<[f]，fg<[fg]，垂直静刚度和水平静刚度均满足要求。以传统力学计算方法对该桥式起重机桥架进行了力学分析。

由此可知，两者求解结果比较一致；两者之间的差别是由于有限元计算模型作了一些必要的简化和传统力学计算公式本身的近似性所造成的。

5结论

以上对桥式起重机桥架结构三维有限元分析所得到的承载应力大小及其分布状况不仅可为起重机桥架结构的设计提供参考，同时可作为在役桥式起重机承载能力可靠性评估的研究基础。

参考文献：

[1]王金诺，于兰峰.起重运输金属结构[M].北京：中国铁道出版社，2016：1-3.