基于ANSYS的桥机金属结构校核

张 凯 王 健 山东省特种设备检验研究院济宁分院

毕晓恒 太原科技大学机械工程学院

基于ANSYS的桥机金属结构校核

张 凯 王 健 山东省特种设备检验研究院济宁分院

毕晓恒 太原科技大学机械工程学院

针对起重机传统设计方法中存在的包括材料浪费等诸多问题，以160t-16m的桥式起重机为研究对象，以ANSYS的参数化设计语言APDL为研究工具，参照相关图纸和结构数据，对桥式起重机主梁金属结构进行参数化建模并进行有限元分析，采用许用应力法对其进行校核，判断其是否满足强度、刚度、稳定性等使用要求。

桥式起重机 ANSYS APDL

桥式起重机作为一种主要的物料搬运机械，其提升物料的范围也可以从几吨、几十吨达到了上百吨甚至上千吨。金属结构作为起重机的“骨架”，重量约占起重机总重的60%～80%，起到了支撑并传递起重机运行载荷的作用。在实际运行中，起重机要受到多重载荷的联动作用，受力情况复杂，对其进行传统的力学计算难度较大，而且很容易出错。对于复杂模型，有限元由于其强大的分析能力及可靠的计算结果，而且，采用有限元分析方法还可以解决一些传统力学计算无法解决的问题。本文就以160T-16m的某水电站桥式起重机为研究对象，起重机结构总图如图1所示，校核其主梁强度、刚度、稳定性，力求获得一种优质的起重机设计方法。

1 建立桥式起重机结构模型

1.1 建立有限元模型

建立正确的有限元模型是有限元分析的基础，模型的不正确会直接导致有限元计算结果的不准确。本文在充分分析厂家提供的图纸的基础上，如图2的主梁截面，结合作者多年对起重机有限元分析的经验，对模型进行了适当的简化，忽略了一些小的倒角、螺栓，并对结构中形成尖角的部位进行了圆整处理，避免出现严重的应力集中，保证结果的正确性。所建立的模型如图3所示。

图2 主梁截面图

1.2 定义单元类型

在进行网格划分之前，首先需要选择正确的单元类型和设置与实际使用材料相同的材料属性。起重机箱型梁结构的是由钢板焊接而成，对于主梁及端梁结构采用具有弯曲和薄膜功能的SHELL63单元模拟，钢板所用材料为Q345，小车轨道使用的材料是轨道钢20CrMnTi，采用实体单元SOLID45模拟。对两种单元及相应的材料的定义如下命令所示，两种材料对应的属性见表1。

ET,1,SOLID45!定义单元实体单元,单元编号为1

ET,2,SHELL63!定义编号为2的单元类型

MP,EX,1,6.62E10!定义实体单元的弹性模量

MP,PRXY,1,0.27!指定实体单元的泊松比

MP,DENS,1,7200!指定单元1的材料密度

MP,EX,2,2.06E11!定义壳单元的弹性模量

MP,PRXY,2,0.28!指定壳单元的泊松比

MP,DENS,2,7850!指定单元2的材料密度

1.3 划分网格

ANSYS程序为用户提供了多种高级的网格划分技术，如对于体单元的扫略（SWEEP）网格划分，对于面和体的映射（MSHKEY,1）网格划分技术等。然而，越高级的网格划分技术对建模的要求也就越高，需要对模型采用大量的布尔运算，方能使模型满足网格划分的需要。对图3的起重机模型，作者采用的是映射网格划分的方法，生成了图4所示的十分规则的网格模型。

2 进行有限元分析

2.1 施加边界条件

在实际情况下，起重机运行工况复杂，而且每一种工况都受到多种不同的载荷的组合作用。本文在多工况条件下的起重机运行结果进行了综合分析，结果表明，当满载小车位于主梁跨中，大车运行制动时（考虑大车运行偏斜侧向力和主梁自重的影响）主梁承受的载荷最大。

2.2 计算结果分析

完成以上的设置和求解操作，便可以进入后结果处理器(/POST1)查看计算结果，对模型进行结果的后处理操作，提取如图5(a)结构的变形图、如图5(b)的应力云图、绘制如图6(a)和6(b)的应力曲线等。主梁金属结构许用应力为[σ]=345/1.33=259.4MPa，许用挠度为[Ys]=S/500=32mm。

由图5的计算结果可知，主梁跨端与端梁的连接处出现了较大的应力集中现象，最大应力为168MPa，在设计起重机的过程中一定要将这一部分的应力集中情况充分的考虑进去，否则将会出现相当严重的后果。最大变形的计算结果为4.841mm，最大应力和最大变形结果均小于许用值，起重机金属结构的强度及刚度均满足设计要求。由图6的应力曲线可以清楚的了解到主腹板所受最大应力小于许用应力，结构强度满足设计要求，最大结果应力产生于小车车轮作用处。

3 结论

本文以双梁桥式起重机为研究对象，结合ANSYS的参数化设计语言APDL，完成了起重机结构的简化建模、网格划分、约束、加载和结果后处理等整个有限元静力学分析过程，并实现了结构设计的参数化，为同种类型、不同尺寸的起重机进行快速有限元分析提供了可能。本文采用传统的许用应力法校核主梁金属结构，计算结果表明，当满载小车位于主梁跨中位置时，会在主梁与端梁的连接处产生较大的应力，应力集中现象明显。另外由于小车车轮产生的局部轮压的作用也会产生较为明显的应力集中。

1 张朝辉.ANSYS12.0结构分析工程应用实例解析.机械工

业出版社,2010

2 包陈,王呼佳,等.ANSYS工程分析进阶实例9(修订版).北京:中国水利水电出版社,2009.10

3 徐格宁. 机械装备金属结构设计.机械工业出版社,2009

4 曾攀, 有限元分析及应用.北京:清华大学出版社,2004

5 龚曙光,谢桂兰,等.ANSYS参数化编程与命令手册.北京:机械工业出版社,2009

6 刘丽贤,马国鹭,赵登峰.基于APDL的ANSYS网格划分及

应用.重庆科技学院学报,2008,10(5)

Material-wasting is a problem in the metal structure of gantry crane designing. Taking the 160t-16m bridge crane for example, based on ANSYS parametric design language APDL, with reference to relevant drawings and data structure, the metal structure of crane was modeled and analyzed by fi nite element analysis method.The allowable stress method is adopted for checking whether it satisfies the requirement of strength, stiffness and stability etc.

Bridge crane ANSYS APDL

2013－11－06）