基于ANSYS的门座起重机金属结构建模

邵 扬

(武汉市特种设备监督检验所，湖北 武汉 430040)

基于ANSYS的门座起重机金属结构建模

邵 扬

(武汉市特种设备监督检验所，湖北 武汉 430040)

以MQ1625型门座起重机为研究对象，介绍了其结构及主要尺寸。运用有限元分析软件ANSYS对起重机的门架、转台以及人字架结构进行了分步建模，并进行了金属结构整体有限元模型的创建。根据起重机的6种不同实际工况，对有限元模型进行了载荷和约束的添加，求解分析不同工况下门座起重机金属结构的静应力表现。分析了ANSYS建模及约束和载荷添加过程中出现的一些问题，并提出了相应的解决方案。

门座起重机； 有限元； ANSYS； 应力； 应变

门座起重机是港口装卸作业的主要工具之一，主要包括工作机构、金属结构和电气系统(包括供电、电器、电气控制)等三大部分[1-2]。随着现代科技的发展，门座起重机越来越趋向于大型化、高速化、自动化和智能化。另一方面，工程实际对于门座起重机的性能要求也越来越高：不仅要求起重机重量轻、刚性好、作业范围大，而且要求起重机小车和大车的运行速度高，在各个实际工况之下都具有较高的工作效率及安全性[3]。因此，有必要对起重机的主要承载结构，即对起重机的金属结构进行力学分析和校核。课题将以MQ1625门座起重机为研究对象，基于有限元分析软件ANSYS，探究其金属结构的有限元建模方法，并模拟实际工况对起重机做静应力分析。

1 模型介绍

以MQ1625门座起重机的金属结构为研究对象，以有限元方法和有限元分析软件ANSYS12.0为理论基础和分析工具，建立MQ1625型门座起重机门架、转台以及人字架等结构有限元模型，并进行有限元分析。

本文建模涉及的MQ1625门座起重机其基本尺寸见图1。

对门座起重机的门架、转台、人字架进行了建模，建模所反映的门座起重机的各个工况包括：工况1，额定负载，臂架处于最大幅度；工况2，额定负载，臂架处于中间幅度；工况3，额定负载，臂架处于最小幅度；工况4，额定负载，臂架处于最大幅度，转台人字架系统旋转45°角；工况5额定负载，臂架处于最大幅度，转台人字架系统旋转90°角；工况6，1.25倍额定负载，臂架处于最大幅度。

起重量25t吊钩16t抓斗吊钩工作幅度最大20m25m最小8m起升高度抓斗轨上15m,轨下12m吊钩轨上26m,轨下12m轨距10.5m基距10.5m尾径≤7.6m轨道P50最大轮压≤250kN行走距离±160m

图 1 MQ1625型门座起重机主要参数

2 建模过程概述

2.1 利用ANSYS建模

此处所采用的建模方式是自底而上的建模，也即先建立关键点，然后由点连成线，由线生成面，最后生成整个三维模型。由于整个模型比较大，在采用自底而上建模方式的基础之上，对全局模型进行了分布建模处理。建模过程依次为门座、转台、人字架三大部分。

首先定义单元类型，根据所要建立的模型以及所选择的建模方式：打开前处理器Preprocessor，点击Element Type选项进行单元类型的添加。本次建模所模拟的材料为Q235碳钢，所选取的单元类型为弹性壳单元shell63，根据其各方面参数，此处可以定义模型材料的弹性模量EX,2.06×105MPa；泊松比PRXY,0.304；密度DENS,7.85×106kg/mm3(其中弹性模量以Q235碳钢在30°下为准)。定义参数之后开始建模，最后得到三个部分模型和整机模型(转台人字架结构面向海侧,图2～图4)。对整机模型进行实常数定义和网格划分，得到了整体有限元模型。其中网格划分采用自由划分方式，设置单元的边界长度最大值不超过200 mm。

图 2 门架结构模型建立

图 3 转台结构模型建立

图 4 人字架结构模型建立

图 5 金属结构整体模型

2.2 边界条件和载荷添加

根据6种实际工况之下门座起重机所受到的约束和载荷，对模型进行边界条件和载荷添加。各个工况模型下，载荷 Force/Moment的施加和约束Displacement的施加除了数值不同外，位置都相同。

其中，载荷施加点包括：大拉杆支座(1个)、平衡梁支座(2个)、臂架支座(2个)、齿轮齿条支座(1个)，这几个点的载荷是门座起重机的臂架系统所提供的支座反力，直接由臂架部分的模型应力分析可以得到；卷筒支座(4个)，这几个点的载荷是钢丝绳提供的作用力，根据门机所吊货物的重量和钢丝绳的倾角可以算出；转台后方箱体所装配重，直接由配重重量提供作用力。整个过程施加的载荷包括FX，FY，FZ，MX，MY，MZ。

约束施加点则是圆筒门座部分的最底部的四个支面，由地面做出支撑。约束和载荷加载完毕(图6、图7)。

图 6 载荷施加图

图 7 底部支座约束施加图

3 建模过程中所遇问题以及解决方案

3.1 分部模型的布尔运算问题

比如在建立转台模型的时候，最后进行布尔运算partition操作不成功，显示超过了公差。解决的方案就是首先检查模型，有没有明显的建模错误，若没有问题，对所有面进行divide操作，确保所有面之间相互切割，然后再执行partition操作。

3.2 将三个分部模型组合搭建成整体模型

在分部模型建立之后，需要将三大分部组合搭建起金属结构整体模型。由于在整个建模过程当中门架、转台、人字架三个部分建模的坐标系没有按照统一标准进行，如果直接进行写操作和读操作，会造成模型的混乱。

解决时以转盘模型为标准，计算好相对位置之后，对人字架和门架进行移动。最后对人字架模型和门架模型进行write和read操作。得到整机模型[4-5]。

特别的在工况4和工况5当中，转台人字架系统还分别需要转动45°和90°。这时可以以转台为中心，则只需要将门座部分转动就行；或者以门座为中心，转动上部分的转台人字架。最后形成的模型见图8、图9。

图 8 工况4模型

图 9 工况5模型

3.3 载荷的添加和转台配重的添加

在建立了各个工况的模型之后，对模型进行载荷和约束加载。这里最主要的问题就是在工况4和工况5当中进行载荷施加，需要对载荷施加点的节点坐标系进行转动，也即与转台人字架的方向保持一致。然后施加载荷FX，FY，FZ，MX，MY，MZ[6]。

图10 转动节点坐标系

模型的各个工况之中还需要在转台的后方箱体上加载一个20 t的配重。这个配重的施加会通过添加节点耦合，使转盘后方箱体下平面成为刚性平面Rigid Region来实现，中间与刚性平面耦合的节点(Mass21单元类型)在Y轴方向上的质量设置为20 000kg[7-8]。配重加载完还需要在沿门座起重机轴线的方向上，也即Y轴方向加载重力加速度Gravity。刚性平面和重力加速度的添加见图11。

图11 创建刚性平面并添加配重

4 结束语

基于有限元理论，以MQ1625型门座起重机为对象，利用ANSYS对MQ1625型门座起重机的金属结构(门架、转台、人字架结构)进行建模。根据六种不同的实际工况，分别进行约束和载荷的添加，进行静应力分析，得到起重机的应力和应变云图，并对结果进行了分析。分析了建模过程所遇的一些难题，提出相应解决方案。静应力分析结果对于起重机的力学校核及结构改进具有参考作用，有助于提高起重机的整体安全性。

[1] 陆国贤．门座起重机设计[M]．北京：人民交通出版社，1985．

[2] 王金诺．起重运输机与金属结构[M]．北京：中国铁道出版社，2002．

[3] 黄陈娣．门座式起重机的现状以及发展趋势[J]．科技传播，2012(11)：57-58．

[4]YangGuangming,GuChongshi.Safetyevaluationsystemforhydraulicmetalstructuresbasedonknowledgeengineering[J].WaterScienceandEngineering,2008(13):102-111.

[5]PopovVG,KabakovZK,GabtykaevDF.Mathematicalmodelingoftheheatingofthemetalstructuresofafoundrycraneequippedwithheatshields[J].Metallurgist,2009,53(11):704-709

[6] 屈钧利，韩江水．工程结构的有限元方法[M]．西安：西北工业大学出版社，2004．

[7]Chen-YuanChung,JosephM.Mansour.ApplicationofANSYStothestressrelaxationofarticularcartilageinunconfinedcompression[J].JournaloftheChineseInstituteofEngineers,2014,37(03):376-384.

[8] 陈小龙.门座起重机金属结构疲劳强度研究[D]．武汉：武汉理工大学，2008．

[责任编校： 张岩芳]

Research on Modeling of Portal Crane Metal Structure Based on ANSYS

SHAO Yang

(WuhanEspeclalEquipmntSuperviseTestInstitute,Wuhan430014,China)

This paper takes the portal crane as the research object and firstly introduces the basic knowledge about its development and structure.Then by using finite element software ANSYS the static stress analysis of the portal crane is conducted after the modeling of crane's metal structures, during which the constraints and the loads are added onto the model according to different working conditions of the crane. Finally several problems that arise during the modeling of the crane is analyzed with corresponding solutions put forward.

portal crane, finite element, ANSYS, stress, strain

2015-04-20

邵 扬(1990-)，女，湖北武汉人，工学硕士，研究方向为特种设备管理和检验

1003-4684(2015)04-0079-03

TH213.4

A