基于ANSYS Workbench的桥式起重机主梁仿真分析

杨从从 袁秀峰 陈嘉磊 樊一波

摘 要：主梁是桥式起重机的主要组成部分和承载部件。本文以40/16t-22.5m-20m A5桥式起重机主梁为研究对象，采用Solidedge建立其实体模型，并导入ANSYS Workbench对主梁进行了静力学和模态仿真分析。得到主梁的等效应力云图、变形云图以及前6阶模态的固有频率和相对振型，对仿真结果进行了分析，为该主梁的优化设计提供了一定的理论基础。

关键词：桥式起重机；主梁；ANSYS Workbench；静力学分析；模态分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.12.007

0 引言

智能制造是现代制造业发展的方向，为了提高效率，降低生产成本，人们越来越重视对制造设备的智能化发展。桥式起重机在制造业智能化发展的进程中占据着至关重要的作用，其是物料搬运的大型设备，被搬运物体质量大，搬运频率高。主梁是桥式起重机的主要组成部件和承载部件，主梁设计的好坏直接影响了整机的制造成本、工作性能、使用寿命等。而主梁传统设计方法是模型简化后手工计算，与实际工况会有一定的偏差且计算复杂[1-2]。

基于此，本文以40/16t-22.5m-20m A5桥式起重机主梁为研究对象，采用Solidedge建立主梁的三围实体模型，并导入ANSYS Workbench对主梁进行了静力学和模态仿真分析，并对得到的等效应力云图、变形云图以及前6阶模态的固有频率和相对振型进行了分析。即采用ANSYS Workbench软件从主梁的强度、刚度以及固有特性角度进行仿真研究。为主梁在保证其刚度、强度、固有特性的前提下进一步优化结构，节省材料提供一定的理论基础和依据，具有一定的理论和实际意义[3-4]。

1 模型建立

本文研究对象为40/16t-22.5m-20m A5桥式起重机的主梁，该主梁为偏轨箱型梁结构，主要由上、下盖板，主、副腹板，隔板，加强筋等焊接而成。整机的小车部分为主副钩形式，主钩额定起重量为40t，跨度22.5m，起升高度20m。主梁上、下盖板12mm厚，主腹板8mm厚，副腹板6mm厚，腹板高1400mm。该箱型梁结构如图1所示。

根据主梁结构和相关尺寸，在Solidedge三围软件中建立主梁的实体模型，如图2所示。将该主梁模型保存成（*.igs）格式。

2 静力学分析

将保存好的（*.igs）格式主梁文件导入到ANSYS Workbench软件中，经检验导入到有限元的主梁模型结构和尺寸没有发生变化，导入质量良好。由于所研究的偏轨箱型梁为焊接结构，所以采用绑定接触（Bonded）即可。

2.1 材料属性设置和网格划分

本文所研究的主梁材料为Q235B，该材料性能参数如下：密度，屈服强度235Mpa，抗拉强度400Mpa，弹性模量，泊松比0.3，安全系数1.34。根据Q235B的性能参数在Workbench中设置主梁的材料属性。

有限元模型的网格划分质量较大程度上影响了最终的求解精度，网格质量越好，求解结果越精确。由于主梁的结构相对较为简单，网格单元尺寸在50～100mm即满足工况要求，本文选用四面体单元格，单元尺寸为50mm，采用自动划分网格功能将所研究主梁划分成158058个单元，323350个节点，网格划分后的模型如图3所示[5]。

2.2 添加约束与施加载荷

由于主梁为两端简支梁，根据实际工况，将主梁的两个与端梁连接面添加Remote Displacement约束，被约束面仅绕Y轴旋转设置成自由（Free），其余设置为0。

由于小车满载在主梁跨中时为极端工况，本文对小车满载在主梁跨中位置进行静力学分析。小车自重约10t，单梁受载为25t，根据小车基距与主钩的相对位置，在主梁跨中位置施加的力（Force）和的力（Force），方向均垂直轨道向下。同时考虑主梁自重，施加Standard Earth Gravity。

2.3 求解与分析

最后进行有限元模型的计算求解，得到主梁的等效应力云图和总变形云图，分别如图4、图5所示。

由图4可以看出，小车满载跨中时主梁的产生的最大应力为135Mpa，最大应力区域在下盖板跨中处，两端应力较小。由于该主梁所选材料为Q235B，且安全系数为1.34，所以该材料的许用应力为235/1.34=175Mpa，即主梁产生的最大应力135Mpa小于许用应力175Mpa，综合以上分析，该主梁满足强度的要求。

由图5可以看出，小车满载跨中时主梁的产生的最大变形量为21.624mm，最大变形区域为跨中且偏轨道一侧，最大变形量两侧均匀过渡性减少。由于该主梁的跨度为22.5m，22500/21.624=1040>1000，因此该主梁满足桥式起重机的刚度要求。

3 模态分析

模态分析是研究结构固有特性的一种工程方法，利用ANSYS Workbench软件中的Modal模块仿真主梁结构的自振频率和相对应振型，可以有效避免主梁在外部激励作用下产生共振现象，以至于对整机造成破坏，降低了其使用寿命。因此对主梁进行模态分析具有极大的必要性[6-7]。

由于结构的低阶振型通常决定结构的动态响应，阶数越高，对结构的动态响应越小。本文对导入Modal的主梁模型进行划分网格并按实际工况进行添加约束后，提取模型的前6阶频率进行计算，得到主梁的前6阶模态属性如表1所示，相对应振型如图5所示。

从表1模态分析结果来看，主梁的在前6阶模态下的最小固有频率为6.6647Hz，因此符合设计规范对桥式起重机在小车满载跨中位置时的自振频率大于等于2Hz的要求，即其动态性能满足要求。

从图6各阶振型图可以看出，1阶模态下主梁主要表现为水平方向的前后摆动，最大变形量0.564mm在跨中位置；2阶模态下振型为垂直方向的上下摆动，最大變形量0.53mm在跨中位置；3阶模态下表现为水平方向的前后扭动，最大变形量0.548mm在两端1/4跨位置；4阶模态下主梁振型表现为垂直方向前后倾斜扭转，最大变形量0.618mm在下盖板跨中位置；5阶模态下振型为垂直方向上下扭动，最大变形量0.534mm在两端1/4跨位置；6阶模态下主梁振型表现为水平方向前后扭动，最大变形量0.59mm在跨中和两端1/6跨位置。

第3、5、6阶模态下主梁的最大变形发生在两端1/4跨和两端1/6跨位置，在整机长时间的交变载荷激励下易产生疲劳损伤，因此应当对其部位进行优化处理。

4 结论

（1）本文以40/16t-22.5m-20m A5桥式起重机主梁为研究对象，采用Solidedge三围软件建立了其实体模型。

（2）将建立好的模型导入ANSYS Workbench，对其进行了静力学分析，其结果初步验证了所研究的主梁满足了桥式起重机对其强度和刚度的要求。

（3）进一步利用ANSYS Workbench的Modal模块对所研究的主梁进行了模态分析，提取前6阶模态下的振动频率和相应振型，并对其结果进行了分析，为该主梁的进一步优化设计提供了一定的理论基础。

参考文献：

[1]张质文，王金诺，程文明等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[2]徐格宁.机械装备金属结构设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]Meng，Dan，Li， Gongfa，Tan， Dawei，Yang，Shulin. Finite Element Analysis on Crane Girder with Variable Cross Sections Based on ANSYS[J].Sensors & Transducers，2013，21（05）.

[4]杨磊，蔡光达，徐家强.基于ANSYS Workbench的桥式起重机主梁有限元分析[J].煤矿机械，2015，36（11）：288-290.

[5]潘变，王宗彦，朱学敏，吴淑芳，秦慧斌.基于有限元法的桥式起重机主梁分析与优化[J].煤矿机械，2013，34（01）：24-26.

[6]庞延波.双梁桁架式龙门起重机主梁优化设计及模态分析[D].西南交通大学，2007.

[7]许京荆.ANSYS Workbench工程实例详解[M].人民邮电出版社， 2015.

作者简介：杨从从（1990-），男，硕士，机械工程师，主要从事智能搬运设备的研发工作。