桥式起重机主梁的静动态虚拟检测方法

2015-04-13杨天雪张国智

中国特种设备安全 2015年2期

杨天雪张国智

（1.福建省特种设备检验研究院福州 350008）

（2.新乡学院机电工程学院新乡 453000）

近年来关于起重机的仿真计算、控制技术、设计方法、检测方法等相关技术方面取得了一定的研究成果，如：基于ABAQUS 的桥式起重机箱形主梁模态分析[1]；基于模糊自适应PID 控制器的桥式起重机定位与防摆控制研究[2]；桥式起重机的模块化配置设计研究[3]；桥式起重机大小车轨道啃轨的检测研究[4]和基于粗糙集和混沌粒子群算法的桥式起重机故障诊断研究[5]。但是，起重机结构复杂，仿真计算难度大，要想直接将仿真技术与检测技术对接，在计算精度和计算效率上必须得到大幅度提高，但目前就此方面的研究还不够深入、系统。因而，本文据此针对桥式起重机，以ANSYS 软件为工具，并结合参数化分析建模技术，对起重机主梁的静态和动态进行了有限元分析，并基于计算结果提出了其静态和动态的虚拟检测方法，可实现对相似结构的桥式起重机主梁的虚拟检测，通过本文的研究对桥式起重机的主梁的检测方法具有重要的研究意义及工程应用价值。

1 基于虚拟样机的起重机械虚拟检测方法

起重机在受载不同的各种工况中危险区域不同，尤其起重机的工作工况非常复杂，因而，在测试检测中必须预先对测试区域有所估计，才能有效地布置传感器，从而进行起重机的检测，本文基于有限元数值仿真建立起重机的各种工况的虚拟样机，通过对有限元分析计算结果的统计分析对检测区域进行分析，进而为实际检测提供指导措施，提高检测效率和检测精度。具体的基于虚拟样机的起重机械虚拟检测方法的基本思路如图1 所示。

图1 基于虚拟样机的起重机械虚拟检测方法的基本思路

2 主梁的静动态有限元分析及验证

计算主梁在承受满载小车时最大静轮压载荷时的刚度和强度，最大轮压为35.25KN，为了减小局部应力集中效应，根据圣维南原理，载荷是按照均布载荷施加的，小车轮距为1.4m，单元选择Shell63 弹性板壳单元，材料为线弹性材料，弹性模量为200GPa，泊松比为0.3。主梁为一端固定约束，一端滚动约束，跨度为10.5 ～31.5m 的主梁的有限元模型如图2 所示，不同跨度主梁的计算时总的单元和节点数见表1。

图2 主梁的有限元模型

表1 10.5 ～31.5m 跨度主梁的计算时单元和节点数

跨度为10.5 ～31.5m 的主梁的实测和计算的最大挠度与跨度曲线如图3 所示，从图3 中可见，曲线总的趋势是随着跨度的增加，挠度逐渐增大，但在跨度S=16.5m 时，挠度变化较大，主要原因是因为在施加载荷附近整体刚度较差，因而变化幅度较大，从而使曲线在13.5 ～19.5m 范围变化不平缓。实测结果与计算结果最大相对误差为13.4%，实测结果与计算结果最小相对误差为2.6%，由此验证了有限元计算结果的准确性。

跨度为10.5 ～31.5m 的主梁的动力学分析的有限元模型和其静态分析相同，去掉轮压载荷，对其在0 ～10000Hz 范围内的前12 阶模态进行分析，得到其振形和各阶的振动频率。

图3 跨度为10.5 ～31.5m 的主梁实测和计算的最大挠度与跨度曲线

跨度为10.5～31.5m 的主梁的前12 阶模态分布曲线如图4 所示，从图4中可见，随着跨度的增加，由于质量的增加，跨度为31.5 的前12 阶频率是8 根主梁中最低的，而且，跨度S=16.5m 和S=19.5m 的曲线的变化趋势比较类似，而其他6 根主梁的曲线变化趋势比较类似，根据理论分析可知，随着质量的增加,物体的模态频率降低，由此验证了有限元计算结果的准确性。此外，跨度S=10.5m 的主梁的12 阶频率为51.4Hz，因为交流电工作频率为50Hz，所以该主梁如果单根工作时最有可能产生振颤，也就是说该梁结构尺寸一定不能作为单梁工作起重机的主梁设计参数。