一种造船门式起重机的主结构有限元分析方法

王彤曼 贾文华 张在梅 殷晨波

（1.三一重机 江苏 昆山 215300；2.南京工程学院机械学院 江苏 南京 211167；3.南京工业大学车辆与工程机械研究所 江苏 南京 210009）

门式起重机（以下简称门机）是一个桥架形承载结构的起重机[1]，可用于搬运货物、装卸及安装建筑构件等，尤其能在铁路及港口货场的装卸中发挥重要作用。而门机在提高工作效率、节省人力的同时，也存在着巨大的安全隐患，寻求一种在能评估门式起重机安全运行的方法势在必行[2，5]。振动不但可能会造成门机结构破坏，当所受激振力的频率与结构的的某一固有频率相接近时，会引起共振[3，4]，造成结构强度的破坏及产生不允许的大变形，破坏整机的性能。

1 门机有限元模型的建立

1.1 门机基本参数

双梁式门机由主梁、柔性支腿、刚性支腿、大车、上小车、下小车、操纵室等构成，如图1所示，选用的门机参数如下所述。

门机相关基本参数：主梁跨度48.124m，起升高度42m，上小车轨距6.33m，下小车轨距2.6m；上小车自重9.9t，最大起重量200t，起升速度5 m/min；下小车自重5.5t，主起升机构最大起重量150t，起升速度5 m/min，副起升机构起重量10t，起升速度12.2 m/min；大车运行速度：30m/min，大车轨距43米；门机主要材料为Q345B，杨氏模量为 2.06×1011，密度为7850kg/m3，泊松比为 0.3。

1.2 模型的单元组成

门机的刚性支腿、主梁结构是由薄板焊接成的箱体梁，柔性支腿是由钢板焊接而成的圆管。为使原模型真实，计算模型单元选择如下：门架结构选用空间板单元shell63，小车等附件在模型的相应节点处设置质单元。建立的有限元模型如图2所示。

图1 门式起重机结构示意图Fig.1 The Sketch Map of The Gantry Crane

图2 有限元模型Fig.2 The Finite Element Model

2 门机的结构静力学分析

作用在门式起重机上的外载荷种类多，工况较复杂，计算分析时只考虑与门式起重机结构破坏形式有关的典型工况，就能确定结构强度与刚度是否满足要求，从而进一步改进设计。根据该门机设计要求（两小车同时工作时，最大抬吊重量300t，上下小车相距至少12米）考虑最危险的四种工况：①上小车位于主梁柔性支腿侧，下小车距上小车12m；②上小车位于主梁跨中，下小车偏向柔性支腿处，距上小车12m；③上小车位于主梁刚性支腿侧，下小车距上小车12m；④上小车位于主梁跨中，下小车偏向刚性支腿处，距上小车12m。

表1 门式起重机静态有限元计算结果Tab.1 Static Calculation Results in ANSYS of Gantry Crane

按第Ⅱ类载荷组合进行结构强度计算[5]，对建立的有限元模型进行加载求解，利用Von Mises屈服准则评判结构应力值，各工况下最大应力值及最大位移如表1所示，应力云图如图3所示。

图3 各工况应力云图Fig.3 Cloud Picture of Stress

按第Ⅱ类载荷组合计算强度时的安全系数均取1.34，故结构的许用应力为从各危险工况来看，工况二的应力及位移最大，最大计算应力为147.64MPa，位移为33.142mm，结构强度还有较大的余量，结构设计是安全的。

通过观察等效应力云图可以看出，应力变化较平缓，主梁应力最大处为跨中上侧，刚性支腿应力最大处位于支腿内侧，柔性支腿应力最大处出现在与主梁相接处的内侧，没有出现应力集中的情况。因此，结构的设计是合理的。

起重机设计规范中规定垂直静位移的设计准则为：yL≤[yL]。式中，[yL]为许用跨中垂直静绕度；yL为跨中垂直静绕度；L为跨度；[yL]=L/800。 该门式起重机 [yL]=48.124/800=0.0602m。计算UZmax=33.142mm，小于[yL]。门式起重机小车位于跨中时，静态刚度满足要求。

3 结论

介绍了造船门式起重机整机的有限元模型的建立、结构的合理性简化、加载及求解过程，并在四种危险工况下对门机进行了静力学分析，得出了静态分析的等效应力及位移的云图。在静力学分析中，应力变化较平缓，主梁应力最大处为跨中上侧，刚性支腿应力最大处位于支腿内侧，柔性支腿应力最大处出现在与主梁相接处的内侧，没有出现应力集中的情况。通过与起重机设计规范相比较，该门式起重机的强度及静刚度均满足设计规范的要求。

［1］张伟强.门式起重机模块化快速设计系统研究与实现[J].机械设计及制造,2010(3)：188-189.

［2］许海翔,李鸣.基于虚拟样机的门式起重机安全分析[J].起重运输机械,2010(7)：40-44.

［3］Jia-Jang Wu,M.P.Cartmell,A.R.Whittaker.Prediction of the vibration characteristics of a full-size structure from those of a scale model[J].Computers&Structures,2002(80)：1461-1472.

［4］陆念力,张宏生.有限元分析中钢丝绳滑轮单元的等效构件法[J].建筑机械,2005(11)：89-91.

［5］Sun Z,Yang H.Development of a finite element simulation system forthe tube axialcompressive precision forming processed[J].International Journal of Machine Tools Manufacture,2002,28(7)：1205-1210.