基于ANSYS的门座起重机门架结构优化设计

2013-11-12苏文力

湖北工业大学学报 2013年4期

苏文力

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

伴随着经济全球化趋势的不断加强，我国贸易总量不断提升，尤其是以港口为重要节点的国际进出口贸易繁荣发展．保证港口的正常高效运行，成为保证我国经济持续较快增长的前提[1]．

某港口使用的MQ1625门座式起重机在使用过程中发现门架横梁和端梁连接处有裂纹，影响到该机的正常使用．笔者基于ANSYS有限元理论基础，对MQ1625门座起重机在臂架处于最大幅度起吊额定载荷工况下，对门架结构进行静力分析，通过对真实情况的模拟计算出门架的强度、刚度的分布，在此基础上，以减小门架横梁端梁连接处应力为目标进行结构优化．

1 结构载荷计算

通过对多种工况比较，得出的结论是：当门座起重机起吊额定载荷，旋转和变幅机构紧急制动，考虑工作状态最大风载荷，臂架处于最大幅度且平行于轨道方向时，门架横梁和端梁连接处处于最危险状况，MQ1625整机结构示意图见图1．

为了方便分析及减少不必要的工作量，将作用于整机的外载荷折算到门架部分，仅选取门架部分进行分析(图2)．

起重机最大幅度起吊额定载荷，经过折算，作用于门架圆筒中心的载荷为：Fx≈106 kN，Fy≈1 084 kN，Mx≈8 000 kN·m，My≈1 450 kN·m．

图 1 MQ1625整机结构示意图

图 2 MQ1625门架结构受力示意图

2 门架结构有限元分析

为了提高门架横梁的局部稳定性，横梁中设置有纵向加强肋和横向加强筋，纵向加强筋对横梁的强度刚度影响较小，建模时将其忽略．横向加强肋在实际焊接中多为非连续焊接，经多次建模计算比较，建模时仅设置大隔板即可．

2.1 在前处理中建立有限元模型

利用ANSYS的参数化建模技术建立门座起重机的有限元模型[2]．单元类型选用板单元shell63，板厚通过定义单元实常数来设定．根据MQ1625门座式起重机设计图纸要求，门架材料为Q235钢，弹性模量Ex=2.06e11，泊松比μ=0.304，密度ρ=7 800 kg/m3．建模过程采用自下而上的方式，建立门架有限元模型并进行网格划分．完成后的有限元模型如图3所示．

图 3 MQ1625门架有限元模型

门架结构有限元模型是在不影响计算精度前提下的简化模型，模型的重量小于门架的实际重量，在施加载荷时需要对门架自身重量进行补偿．目前多采用以下补偿方法：质量补偿、密度补偿和重力加速度补偿．门架模型采用密度补偿法．

2.2 在求解器中加载和求解[3]

2.2.1定义分析类型和施加约束分析类型为static，沿轨道方向端梁后两个支点施加除沿垂直轨道方向的转动约束外的其他约束，前两个支点施加除沿轨道移动方向的移动约束以及沿垂直轨道方向的转动约束外的其他约束．

2.2.2施加载荷载荷施加在横梁圆筒中间的节点上．采用MASS21单元划分关键点，然后将划分后的节点和圆筒上的节点耦合形成刚性平面，使得施加在节点上的力传递到门架上．

2.2.3施加重力载荷施加Y方向上的重力加速度9.8 m/s2．所有载荷加上后，执行求解运算．

2.3 查看结果

门架应力分布云图如图4所示．

图 4 MQ1625门架应力应变分析

从图4中可以看出，主梁的最大应力在横梁和端梁的连接位置，最大应力值为167.632 MPa．与实际过程中门架出现裂纹的位置一致．

3 门架结构优化设计

根据横梁和端梁连接处应力值较大的特点，依据材料力学原理、结构力学方法，结合ANSYS有限元分析软件和cad软件，对门架结构进行优化设计，在门架横梁和端梁的连接位置增加钢板来减少原设计中的应力集中现象．修改设计后的门架结构见图5．

图 5 MQ1625门架优化设计

根据修改后的门架系统建立新的门架结构．

图 6 MQ1625门架优化设计有限元模型

对优化后的门架进行ANSYS分析，加载求解，查看应力结果如图7．

图 7 MQ1625门架优化设计分析结果

对于门座起重机，根据《起重机设计规范》，应按第Ⅱ类载荷组合进行强度计算，即起重机正常工作条件下的最大载荷[4-6]．弹塑性材料许用应力为σ=σs/ns，其中σs为材料的屈服极限，ns为材料的安全系数(第二类载荷组合时取ns=1.4)．门架结构材料为Q235钢材，许用应力σ=167.857 MPa．MQ1625门座起重机门架结构的最大合成应力为167.632 MPa，接近材料许用应力值，结构不安全．优化设计后的门架结构的最大合成应力为140.195 MPa，结构满足强度要求．

从门架结构应力分布云图看出，优化设计后的门架结构应力变化平缓，各点没有产生显著的应力集中，故结构优化设计合理．