基于Solid Works的桥式起重机桥架结构设计及分析

2014-07-08刘灿辉

机械工程师 2014年9期

关键词：桥架模态网格

刘灿辉

（广东联塑科技实业有限公司，广东佛山 528318）

0 引言

桥式起重机的桥架沿铺设在两侧高架上的轨道纵向运行，起重小车沿铺设在桥架上的轨道横向运行，构成一矩形的工作范围，可充分利用桥架下面的空间吊运物料，不受地面设备的阻碍。这种起重机广泛用在室内外仓库、厂房、码头和露天贮料场等处。

工业中常见的是普通桥式起重机，其一般由起重小车、桥架运行机构、桥架金属结构组成。其中桥架为整机的重要部件，桥架的起重量可达百吨，跨度可达60 m，因其高承载及大跨度的特征，故对其结构安全性提出很高要求。

SolidWorks 是一款广泛应用于航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械等行业的三维设计软件，该软件除了可以进行产品三维结构设计外，还可以对产品进行一系列结构力学性能的仿真分析，对设计中可能出现的问题作出预测和改进，实现设计的自动化，从而加快产品的更新换代，提高企业的市场竞争力。

1 桥架结构三维模型的建立

1.1 主要设计参数的确定

根据车间要求，该桥式起重机的主要用途为搬运大件的金属物料，桥架的跨度为26.2 m，起吊物料的最大重量为15 t，车体的运行速度约为80 m/min，物料的起吊速度约为0.3 m/s。

1.2 桥架结构的设计

根据以上所提供的主要设计参数，利用SolidWorks软件的三维及二维功能对桥架的结构进行设计，此处设计桥架为箱体结构，桥架箱体部位的长×宽×高为28 m×1.7 m×3.8 m，为了强化桥架的整体强度及刚度，在桥架箱体的侧面焊有厚度为15 mm 的加强筋板，而其底部焊有工字型钢。初始方案的基本尺寸确定后，就可以对桥架进行三维建模，本桥架结构在SolidWorks 进行三维建模时主要是用到拉伸及切除功能，其他有尖角的地方需作倒圆角处理，待桥架的三维模型建立完成后，就可以利用SolidWorks 的二维功能模块直接把三维模型生成可用于生产的工程图，该工程图与三维模型是完全关联，每次修改三维模型时，工程视图都会自动更新，桥架的三维及二维模型如图1 和图2 所示。

图1 桥架三维模型

图2 桥架二维模型

2 桥架结构的有限元分析

2.1 桥架材料特性

本桥架所采用的材料为普通碳素结构钢Q235B，该材料的力学性能特性如表1 所示。

2.2 桥架有限元模型的建立

桥架有限元模型的建立有两种方法：

1）通过手工划分网格来建立有限元模型，即人工指定网格的最大及最小单元的尺寸大小。

2）采用软件的自动网格划分功能，让系统根据桥架的整体尺寸来自动分配并生成网格，自动化分网格时有粗糙和良好之分，划分时一般根据系统的默认设置。

本模型主要采用自动网格划分，划分网格后的桥架有限元模型如图3 所示，从网格的细节图表中（图4）可以看出，该桥架有限元网格的最大单元为516.9 mm，最小单元为25.8 mm，节点的总数52 331 个，单元总数为27 991个，网格的其他相关参数均处于比较良好的状态。

2.3 桥架结构的强度分析

根据设计要求，桥架所能承受的最大起吊重量为15 t，考虑设备运行时的动载荷及其他不稳定因素的影响，取2 倍的安全系数，即在强度分析时，对桥架的承载最危险处输入30 t 起吊重量的作用，所得到的受力及约束模型如图5 所示，中间位置的箭头表示30 t 的作用，两端底部采用固支约束。

表1 Q235B 钢力学性能

图3 桥架有限元模型

图4 桥架有限元网格细节图表

图5 桥架有限元模型受力及约束效果图

图6 桥架模型的强度应力云图

通过计算分析后，从图6 的桥架强度应力云图可以看出，在30 t 起吊重量的作用下，桥架模型的最大应力为27 MPa，小于Q235B 钢的屈服极限235 MPa，说明该桥架的结构强度较高，根据强度分析结果可以判定该桥架的强度满足设计要求。

2.4 桥架结构的刚度分析

本桥架在设计时是选取A6 工作级别，根据《通用桥式起重机》国家标准，A6 工作级别桥架的静态刚度要求为垂直静挠度应不大于桥架的最大跨度的1/800。

通过有限元的刚度分析，从图7 的桥架刚度云图可以看出，在30 t 起吊重量力的作用下，桥架模型的最大挠度为1.8 mm，远小于规范所规定的26 200/800=32.75 mm静挠度许用值，所以可以判定桥架的整体刚度满足设计要求，并且对桥架底部左端至右端位置进行探测，探测结果如图8 所示，探测结果所显示的位移值趋势与实际挠度值趋于一致。

图7 桥架模型的刚度变形云图

图8 桥架模型底部位移探测曲线图

2.5 桥架结构的模态分析

在30 t 起吊重量的作用下，软件分析得到桥架模型的5 阶模态，每阶模态的固有频率如图9 所示，一阶模态的固有频率为8.68 Hz，根据《通用桥式起重机》国家标准规定，当桥架最大承重位于跨中时，桥架的满载自振频率应大于2 Hz，故可以判断该桥架的自振频率符合国家设计规范要求，且从一阶模态振型（图10）可以看出，该桥架水平侧面位置比较薄弱，这与桥架实际情况相符合。