起重机基于ANSYS的设计验证性分析

陆善贵 潘晓光 桂林市特种设备监督检验所

起重机基于ANSYS的设计验证性分析

陆善贵 潘晓光 桂林市特种设备监督检验所

为了保障起重机的安全，在设计之后便会对其设计进行计算验证，特别是其金属结构和整机的性能。本文以桥式起重机为分析目标，为了解决计算上的不足和增高精确性，用国际领先且在工程领域最为广泛的ANSYS软件来进行计算。用该软件的参数化设计来建立起重机的三维模型。通过在不同的工况下载荷的施加，仿真出在该载荷下的应力应变值，并与设计的目标进行对比，通过验证在不同的工况下的载荷组合、强度、静刚度和支腿的稳定等多项指标来分析判断设计是否合理。为设计人员提供参考依据。

1 起重机设计主要参数

1.1 材料参数

材料选择为Q-2 3 5 A，这是一种在起重机制造领域常用牌号，在常温下，其弹性模量为2.16×105MPa,屈服极限为235MPa,松泊比为0.3，质量密度为7800kg/m3。

1.2 整机工作属性

主要工作的属性见表1。

表1 起重机工作属性

2 有限元思想及ANSYS软件

有限元的基本思想是为把复杂的问题简单化，任何结构体都可以看作是由许多细小的单元组成，这些细小的单元之间通过节点连接，所以在有限元分析过程中，这些结构体并不是由整体组成，而是由这些细小的单元组成，将这些单元组成一系列的方程和施加一定的约束后求解，便可以得到理论上的分析值。

3 边界约束条件

整体约束情况如图1所示与见表2。

图1 桥式起重机简化图

表2 约束点及约束方位明细表

ROTX,ROTY,ROTZ： 绕 x,y,z 轴的回转自由度；

1： 约束；0：自由；

图1中表明了大车的轨道方向和柔性钢性支腿的分布情况，由于对桥式起重机的整体进行分析，但支点不包括在y和z轴上的变形，所以对其4个支点的y轴和z轴进行约束，对其在x，y，z轴上的回转自由度不进行约束。

4 模型的建立

通过参数化设计进行建模时，为了更加快速的建立，因为小车和桥架是由钢板和型钢焊接而成，本文采用的是分块化建模方法，建立模型是将实体通过参数化表达为计算机能识别的虚拟物体，所以模型的建立对分析结果至关重要。而分析的目的是为了计算出相应的受力，只要对其进行正确的设置即可由计算机来完成。为了简化本模型，在建模时小车和桥架按照正确的尺寸进行建模，对于其小车上的零部件则会以质量点来代替。

桥架和小车上的主要钢板或型钢以单元shell63来模拟钢板，以单元BEAM189来模拟型钢 。用单元MCP184来模拟支撑点的约束，对于小车上的零部件，如减速机，制动器等则是以MASS21来代替。

其机构的单元划分见表3。

表3 单元划分明细表

5 载荷组合

作用在桥式起重机上的载荷可以总体的分为自重载荷，工作载荷，外界附加载荷(运行冲击载荷，风载荷，惯性载荷等)。选择这几种常规载荷的组合模式，在不同的工况通过ANSYS来计算其应力分布值和刚度值，以此来辨别设计是否达标。载荷组合见表4。

表4 工况组合明细表

6 计算工况及求解

6.1 工况1

载荷组合 结构自重和起升动载冲击

1）A：应力计算结果见表5。

表5 工况1应力计算结果

图2 工况1整机应力云图和桁架应力云图（小车在位置2时）

2）刚度云图如图3所示，计算结果见表6。

表6 工况1刚度计算结果

图3 工况1刚度云图(小车在位置2时)

6.2 工况2

载荷组合：运行冲击和水平侧向力,风载和惯性力1）应力云图如图4所示，计算结果见表7。

表7 工况2应力计算结果表

图4 工况2应力计算云图

2）刚度计算云图如表5所示，刚度计算结果见表8。

表8 工况2刚度计算结果表

图5 工况2刚度计算图

6.3 工况3

载荷组合 结构自重和非工作风载

1）应力云图如图6所示，计算结果见表9。

表9 工况3应力计算结果表

图6 工况3应力计算云图

2）刚度云图如图7所示，计算结果见表10。

表10 工况3刚度计算结果表

图7 工况3刚度计算云图

小结：工况1、工况2、工况3的最大应力均出现在主梁上弦杆跨中部，最大应力值分别为123MPa、107MPa、103MPa，小于Q235许用应力值176MPa，最大挠度值分别为15.53mm、15.77mm和3.07mm，小于许用挠度值47mm，强度刚度均满足设计要求。

7 支腿稳定性计算

7.1 柔性支腿

由金属结构施工图纸可知，柔性支腿主肢为轴心受压构件，其几何特性参数如下：

柔性支腿主肢材料：Q235（取σs=235MPa）

柔性支腿主肢计算长度：l=10000mm

柔性支腿主肢截面面积：A=4736mm2

柔性支腿主肢截面惯性距：I=6.9×107mm4

由λ2＜λ＜λ1可以判断柔性腿为中等柔度压杆，因此可以用直线公式σcr＝a-bλ计算临界应力σcr：

a、b--与材料性质有关的常数。

σcr＝a-bλ＝304-1.12×87.7=205.7MPa

根据ANSYS 模型输出数据可知，在工况2，小车位置位于柔性腿侧极限位置时，主肢承受的轴向压力和弯矩分别为：F＝1.31×105N。根据公式σ＝≤φ[σ]进行校核，由长细比查表得φ＝0.575：

7.2 刚性支腿主肢

由金属结构施工图纸可知，刚性腿主肢为压弯构件，其几何特性参数如下：

刚腿支腿主肢材料：Q235（取σs=235MPa）

刚腿支腿主肢计算长度：l=14000mm

刚腿支腿主肢截面面积：A=4736mm2

刚腿支腿主肢截面惯性距：I=6.8×107mm4

根据ANSYS 模型输出数据可知，在工况2，小车位置位于腿侧极限。位置时，主肢承受的轴向压力和弯矩分别为：F＝1.31×105N，M＝1.03×107N·mm。

进行校核

式中：F——作用在支腿上的压力；

Mf——作用在支腿上的弯矩；

I——为支腿的截面惯性距；

W——构件长细比的失稳系数（查表得W=1.61）。

因此，

8 总结

本文基于ANSYS的虚拟仿真计算，包括对传统计算的应用，成功的实现了较为完整的起重机整体结构分析和计算。起重模型有了必要的简化，并不是完全与实物等价，其分析方法只能作为参考。通过计算机的虚拟仿真计算和传统计算结果来看，本起重机的金属结构静强度、静刚度、支腿的稳定性均满足要求。对起重机械的设计验证性分析有较好的借鉴作用。

1 陈玮璋.起重机械金属结构.北京：人民交通出版社,1998

2 邵蕴秋.ANSYS 10.0有限元分析实例导航.北京：中国铁道出版社,2004

2013－08－20）