基于ANSYS的起重机关键件强度及模态分析

凌万春

（中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051）

1 问题描述

桥式起重机在吊装场所随处可见，在起吊重物时对梁的强度有一定的要求，尤其是在起吊时有动载荷，故必须充分考虑到动载的影响。本次分析仅考虑静力强度，进行模态分析是为了以后进行动态分析做准备。针对桥式起重机，对其结构和起吊梁的截面参数进行分析。桥式起重机的结构示意图和工字梁截面示意图如图1、图2所示。

图1 桥式起重机结构示意图

图2 工字梁截面示意图

2 问题分析

对工字梁力学模型进行简化，便于ANSYS有限元分析。将起吊梁的受力状态简化成其自身的重力G和被吊物体重力W的叠加，将重力G处理成均布面压力q1，q1＝0.016N/mm2；被吊物体的重力W处理成均布面压力q2，q2＝6N/mm2，以中间截面为中心，将q2分为两部分。工字梁受力简化示意图和载荷以及边界条件示意图如图3、图4所示。

3 工字梁结构强度分析和模态分析

3.1 强度分析

3.1.1 实体建模和划分网格

基于ANSYS软件创建工字梁实体模型并划分网格。工字梁实体模型和有限元网格模型如图5、图6所示。

图3 工字梁受力简化示意图

图4 工字梁载荷以及边界条件示意图

3.1.2 施加载荷

在创建的面上施加边界条件是为了约束所有的自由度，上表面整体施加均布重力q1，在中间创建的两个面上施加均布载荷q2，实际完成后模型如图7所示。

图5 实体模型图

图6 有限元网格模型图

图7 载荷以及边界条件模型图

3.1.3 求解和后处理

设置求解方式为从当前载荷步开始求解，得出应力分布、位移分布结果图，如图8、图9所示。

图8 第四强度理论应力分布图

图9 y轴位移分布图

3.2 模态分析

分析类型选项设置为12阶模态分析，并从当前步开始求解。在通用后处理模块中查看各阶模态的动画，得出各阶模态形态图，9阶～12阶模态如图10所示。

4 结语

以起重机的工字梁为关键件，并根据起重机的实际工作情况，对该构件进行强度与模态分析，得出以下结论：①在正常状态下，受力点为工字梁中间处；②在实际工作过程中，横梁受力状态复杂，在多次、变化的载荷作用下，设计时可结合疲劳敏感曲线，通过改进局部结构或提高材料的力学性能来提高构件的可靠性。

图10 9阶～12阶模态图

［1］徐激主.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1991.

［2］王复兴，孙东华.材料力学［M］.北京：兵器工业出版社，2001.

［4］童秉枢.机械CAD技术基础［M］.北京：清华大学出版社，1996.