大吨位桥式起重机主梁上盖板开门处有限元分析

2013-07-19符敢为井德强

机械工程与自动化 2013年1期

符敢为，高勇，井德强

（陕西省特种设备质量安全监督检测中心，陕西西安 710048）

0 引言

由于大吨位桥机在使用过程中所具有的固有特点，使得主梁上盖板开门过渡圆角处经常出现裂纹，影响其使用性能。常规设计中采用解析方法对桥架结构该处截面的应力进行计算，但这种方法不能很好地反映其实际的应力状态。对此本文采用有限元分析方法，建立桥架结构的参数化有限元模型，并进行加载、求解，最终得到该处的实际应力状态。

1 桥架结构三维参数化有限元模型的建立

1.1 桥架结构的几何模型及相关参数

本文所选的200t／31m桥式起重机为端梁非铰接式双梁桥机［1］，其主要参数如下：

额定起重量（t）： 200；

工作级别： A6；

跨度（m） 31；

小车重（t）： 74.7；

小车轮距（m ） 3.7；

小车轨距（m） 6.7。

起重机主梁是桥架结构受力的主要支撑部分，其几何参数见图1。

1.2 建立有限元模型

在ANSYS中创建实体模型，采用自底向上的建模方式［2］，即可创建整个桥架结构的完整模型［3］。该桥架结构的材料为Q345，其弹性模量E＝2.06×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度为7.85×10－6kg／mm3。此外通过定义实常数来赋予各个板构件的厚度。选用单元类型为三维壳单元Shell63［4］。对桥架结构实体模型进行网格划分即可得到所需要的有限元模型。采用的网格大小为200mm［5］，生成的有限元模型如图2所示。

2 载荷及约束条件的施加

2.1 载荷的确定与施加

作用在桥架结构上的载荷包括垂直载荷和水平载荷［6］。垂直载荷分为移动载荷和固定载荷，均布载荷采用施加重力加速度的方式加载，集中载荷则施加在相应位置的节点上。水平载荷包括水平移动集中惯性载荷和水平均布惯性载荷，均布惯性载荷采用施加水平加速度的方式加载，集中惯性载荷则施加在相应位置的节点上。

2.2 约束条件的施加

在大车运行台车支撑耳板与桥架下盖板连接处的相应节点上施加平移自由度约束，即限制X、Y、Z方向的平移自由度。

2.3 求解

选择前置条件共轭梯度法（PCG）求解器进行求解［7］。

3 计算结果分析

在大车运行制动、小车位于跨端极限位置且满载下降制动的工况下进行计算，利用ANSYS的后处理功能可以得到该工况下桥架结构的等效应力分布云图和位移云图，如图3所示，主梁上盖板开门处的应力分布如图4所示。由图4可以看出：在该种工况下，上盖板开门过渡圆角处的应力比较大，原因是此处存在应力集中。运用ANSYS后处理功能中的列表显示节点解，得到该处最大等效应力为101.06MPa，小于许用应力。

改变上盖板开门处过渡圆角半径进行分析计算，其计算结果见表1。由计算结果可知，随着过渡圆角半径的增大，该处最大等效应力逐渐减小。过渡圆角半径增大的极限状态就是矩形门的短边变为半圆弧，在表1的最后一列给出了这种情况下的计算结果，其等效应力为77.422MPa，为该处的最小等效应力。建议以后在上盖板开门时，在条件允许的情况下，可以将矩形门的短边用半圆弧来代替，以此改善该处的应力状态。

图1 桥架结构的几何参数

图2 桥架结构有限元模型

图3 有限元分析结果

改变上盖板开门处镶边厚度进行分析计算，其计算结果见表2。由计算结果可知，随着镶边厚度的增大，该处最大等效应力逐渐减小，但效果不明显，即便是镶边厚度增大为20mm，该处最大等效应力也只减小了10MPa。建议不要通过改变镶边厚度来改善该处的应力分布状态。

图4 主梁上盖板开门处的应力分布

表1 改变过渡圆角半径的计算结果

改变上盖板开门尺寸大小进行分析计算。当改变短边宽度时，计算结果见表3。由表3可以看出，随着短边宽度的减小，该处的最大等效应力逐渐减小，短边宽度最小为310mm时，其最大等效应力仅为19.279 MPa。单独改变矩形门长边长度进行分析计算，其计算结果见表4。由表4可以看出，随着长边长度的减小，该处的最大等效应力总体趋势是减小的，当长边长度为最小310mm时，其最大等效应力为73.252MPa。因此，上盖板开门时，在条件允许的情况下尽量减小开门尺寸。

表2 改变镶边厚度的计算结果

表3 改变短边宽度的计算结果

表4 改变长边长度的计算结果

单独改变开门位置至副腹板的尺寸进行分析计算，其计算结果见表5。由表5可以看出，随着开门位置至副腹板尺寸的减小，该处最大等效应力有减小的趋势，但效果不明显。即便是将开门位置移动至靠近副腹板的极限位置10mm时，最大等效应力为89.725MPa，也仅仅降低了10MPa左右。

单独改变开门位置至近端大隔板的尺寸进行分析计算，其计算结果见表6、表7。可以看出，随着尺寸的减小，最大等效应力变化不明显；随着尺寸的增大，最大等效应力变化也不明显。因此，在上盖板开门位置介于近端梁第一、二块大隔板之间的前提下，改变盖板开门位置对其应力状态的影响很小。

表5 改变开门位置至副腹板尺寸的计算结果

上面讨论的是在大车运行制动、小车位于跨端极限位置且满载下降制动的工况下，影响上盖板开门处应力分布状态的各个因素，但在小车运行至跨端极限位置时，对于上盖板开门处，并不是最危险工况。经计算分析小车运行位置距主梁左端为5.926m（此时一组小车轮压恰好作用在上盖板开门过渡圆角处）是上盖板开门处的危险工况，未改变过渡圆角半径前，该处最大等效应力为165.57MPa，将矩形门短边改为半圆弧后，该处最大等效应力变为116.39MPa，效果明显。结果显示，通过单独调整主梁上盖板开门处过渡圆角半径、镶边厚度、开门大小和开门位置均可不同程度地改善该处的应力状态。在调整过程中可以将几个影响因素综合考虑，以便得到最佳效果。