基于有限元的门座起重机结构强度分析及应力测试*

陈敏 黄国健 吴粤平 王强 刘柏清 王新华

（1.广州市特种机电设备检测研究院研发中心 2.广州港股份有限公司新港港务分公司）

0 引言

世界经济和国际贸易的快速发展，促进了港口货物吞吐量的不断增长，使港口装卸量日益增加，服务于港口装卸的门座式起重机已成为不可或缺的重要设备[1-2]。

门座式起重机是码头专用的机械设备，进行装卸和搬运作业，它具有高效的作业能力、较低的建设费用、机动性和通用性强等优点[3-4]。门座起重机由于长期处于露天、腐蚀性等较为恶劣的环境中，且使用频率和工作强度较高，作为主要承载的金属结构部件，容易产生疲劳裂纹、腐蚀等缺陷，在很大程度上影响结构的力学性能，危及起重机使用安全[5-6]。对服役时间超过15年的起重机，国家质检总局提出需对其进行安全评估。因此，分析门座起重机的金属结构强度，对其进行结构安全性评估显得十分必要[7]。

近年，随着现代测试技术和计算机的发展，国内外对起重机械金属结构进行安全评估的研究也越来越多，基于模糊神经网络的安全评价方法已经在各大高校和研究机构中展开研究[8-9]，运用最新的测试技术，对起重机械的安全评价采取应力应变测试技术也已有了广泛应用[10-12]。本文利用有限元分析和应力测试相结合的方法，发挥有限元分析建模计算方便快捷的优点，同时与实测数据进行比对，可以全面、详细地掌握长期服役的起重机金属结构的应力分布情况，辅助起重机安全评估工作，确保其运行的安全可靠。

1 MQ1030门座起重机概况

本文以MQ1030门座式起重机为研究对象，该起重机自1985年服役至今，其实物图如图1所示，具体技术参数如表1所示。

图1 MQ1030门座起重机实物图

表1 MQ1030门座起重机技术参数

整机金属结构大体可分为上部旋转部分和下部固定部分。旋转部分包括四连杆组合臂架系统、人字架系统、平衡梁系统、转台结构、转柱结构；固定部分主要由门架结构和运行机构组成。整机金属结构的型式均为薄壁箱型结构，所用材料为Q235钢。由于该机服役年限较长，结构存在一定程度的损伤，金属结构的各部位钢板厚度均存在不同程度的折减，计算时钢板厚度没有采用设计时的数据，而是通过实际测量得到。

2 有限元模型的建立

2.1 单元网格

根据该起重机的结构特性和受力特点，可把其主要金属结构简化成空间杆系结构，利用ANSYS有限元分析软件对起重机进行建模计算。建模过程中，采用3种单元类型：

1) 主结构臂架、象鼻梁、大拉杆、人字架、平衡梁、转台、转柱以及门架均采用beam188梁单元，具有拉伸、压缩、扭转、弯曲能力，并可考虑剪切变形的影响；

2) 小拉杆，象鼻梁拉杆以及门架连杆的模拟采用3维杆单元link180；

3) 配重、滑轮组以及各个机构可视为集中质量，采用mass21质量单元。

该起重机的有限元模型如图2所示。

图2 门座起重机有限元模型

2.2 材料属性

该 MQ1030门座式起重机的金属结构材料为Q235碳素结构钢，密度为7.85×10-6kg/mm3，屈服极限为235 MPa，材料的弹性模量为2.1×105MPa，泊松比取0.3。

2.3 边界条件

该门座起重机门架结构的底部与基础采用刚性连接，即均对门架四个支腿施加6个方向的自由度。臂架与象鼻梁及转台、大拉杆与象鼻梁及人字架、小拉杆与臂架及平衡梁、人字架与平衡梁之间的连接均为铰接，在有限元模型中均采用耦合连接点处的节点自由度实现，均可绕Z轴转动，因此施加UX、UY、UZ、ROTX和ROTY 5个方向的约束。

2.4 载荷组合

根据起重机安全评估的实际需要，选取起重机最不利的运行工况进行计算分析。针对该MQ1030门座起重机，其最不利的工况为起重机起吊额定载荷10 t，位于最大工作幅度30 m处，分析起重机在该位置时的应力、应变分布情况。在该位置的工况又分为有风和无风两种情况，门座起重机载荷组合表见表2。

表2 门座起重机载荷组合表

3 计算结果与分析

通过ANSYS有限元计算，得到该起重机在有风和无风2种载荷组合下，金属结构所受到的最大等效应力：有风工况下出现在臂架结构上，为145 MPa，如图3所示；无风工况下出现在象鼻梁的拉杆上，为119.8 MPa，如图4所示。

从图3和图4可知，起重机整体应力并不大，应力值一般在100 MPa以下，应力较集中的位置出现在臂架和象鼻梁的拉杆上。由于该起重机服役年限较长，并且在模型简化过程中部分加强筋并未考虑，故有限元计算结果最大应力要比实际应力大。

图3 OW1工况整机等效应力云图

图4 无风工况整机等效应力云图

4 与实测数据比较

根据有限元计算的结果，选取等效应力较大的位置截面作为应力测试的测点位置，再依据评估需求，设定不同的测试工况，其中与有限元计算相符的载荷工况如表3所示。对MQ1030门座起重机进行现场应力测试，测试结果如表4、图5所示。

表3 应力测试工况表

由测试结果可知，MQ1030起重机在测试工况下最大的应力值出现在象鼻梁的拉杆上，为76.09 MPa，其余较大的应力值出现在臂架以及转柱上，分别为65.6 MPa和58.3 MPa，其它测点的应力值相对较小。现场实测的应力值由于不考虑起重机金属结构的自重应力，且有限元计算时部分加劲肋采取简化处理，因此实际测试结果比有限元计算值低，但有限元分析与现场测试结果二者对金属结构总体应力分布趋势是一致的。

表4 各测点应力测试结果

图5 通道应力数据极值图

5 结语

通过ANSYS软件对MQ1030门座起重机金属结构建模计算，并与实际应力测试结果比较，可以得出：

1) 通过比较有限元计算结果与现场应力实测结果，二者应力值的分布趋势较为吻合，验证了有限元计算能够较真实地反映起重机金属机构实际的受力情况；

2) 通过有限元计算得到该门座起重机起吊额定载荷时的最大等效应力出现在臂架下翼缘板受压侧，其最大值为145 MPa，其次为象鼻梁前拉杆处，其应力值为119.8 MPa，都在材料的许用应力范围内。不考虑自重应力的情况下，对起重机的应力实测结果最大值为76.1 MPa，也在材料的许用应力范围内。有限元分析与现场测试结果均表明，该起重机在不利工况下的结构所受最大应力均小于材料的许用应力，起重机金属结构可以安全使用。

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