基于ANSYS Workbench双梁小车式起重机主梁结构设计及静态分析

黄伟莉， 郝世查， 范芳蕾， 陈星， 余龙

（东华理工大学机械与电子工程学院，南昌330013）

0 引言

起重机是目前应用很广的一种起重运输设备，广泛应用于港口、码头、堆场、船台和货场等露天工作场合。主梁金属结构是起重机的骨架，承受着自重载荷和各种工作载荷，约占整机总重的25%~30%，它的使用状况直接决定了双梁起重机的工作寿命。传统的起重机设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论、半经验设计法和模拟法、直觉法等传统设计方法,设计过程反复多、周期长,所涉及的计算的公式复杂、计算量大。设计的精确度较低、费用高[1]。小车运行工况的实时应力状态不能及时地反映。随着科学技术和电子计算机技术的飞速发展，现代化设计制造技术逐步提高，起重机的设计方法也正向着集成化、模块化转变。各类有限元分析软件应运而生，为机械设计注入了新的动力，利用它能对处于设计阶段的模型进行数值仿真，对设计的合理性检验和优化有着重要作用，而且能实时显示各种工况下的应力、应变及其分布，及时发现设计中存在的问题，从而缩短产品研发周期、减少产品的质量和制造成本，对推动节能减排、低碳环保的绿色经济具有重要意义[2]。本文利用ANSYS Workbench对该起重机的单根主梁进行结构强度、刚度分析，并提出优化设想。

1 主梁的设计与计算

1.1 主要结构参数

该起重机的主要参数为：载重30/5 t，跨度25 m，起升高度10 m，工作级别为A5，支腿平面采用A型双刚性支腿门架结构，其总体结构如图1所示。

图1 起重机总体结构图

主梁和刚性支腿采用法兰对接和螺栓连接，它们之间不存在位移而采用Boned连接。在分析过程中支撑处螺栓连接的连接孔和主梁两端的侧面箱型结构及一些微小结构，如圆角、梁边上的连接结构对分析结果无影响，在建立模型的时候可将其省略。主梁支撑处的支座与腹板之间用一梯形板进行连接，为避免分析时在转角处出现应力奇异，将梯形尖锐转角处改为圆角。

1.2 主梁截面参数

该起重机的主梁为箱型结构，主梁高度1470 mm，翼缘板宽度1162 mm，厚度10 mm，腹板厚度6 mm，截面尺寸1090 mm×1450 mm，如图2所示。内部共有间距为1500 mm的隔板25块和间距为500 mm的筋板48块，内部加强筋和隔板及等边角钢等辅助结构焊接而成。

本文以主梁为研究对象，用NX软件完成主梁的三维建模。利用NX与ANSYS Workbench无缝对接功能直接将模型导入ANSYS进行有限元分析。

图2 主梁结构图

起重机实际受力情况比较复杂，将其受力简化为两个集中力代替小车车轮压在车轮轨道上的压力，据设计标准有许用挠度为fx=L/750=18.6 mm[3]，其中L为主梁长度。其简化受力如图3所示。

图3 主梁简化受力图

2 主 梁 的ANSYS分析

2.1 有限元模型的建立

文中起重机的主梁整体结构材料采用Q-235B。模型搭建好后将其导入Workbench中定义其材料属性，弹性模量为206 GPa,材料密度为ρ=7850 kg/m3,主梁的工作级别为A5，根据主梁的工作级别和机构的工作级别，确定其安全因数n=1.34，其中材料的许用应力为［σ］=175.37 MPa，许用切应力［τ］=102.55 MPa,泊松比为0.3。主梁共由115个部件共同构成，程序自动设置的连接在由多部件组建的装配体中可能会存在不可靠连接，需手动设置被检查连接的有效性。由于起重机整体尺寸较大，若用实体模型进行分析计算，将会产生很大的计算量，权衡计算机的计算能力和计算精度，将模型进行抽中面处理，以减少计算量。

对主梁采用自动网格，生成网格模型如图4所示。

2.2 载荷施加及结果求解

因为主梁为对称结构，故在本次分析中选取跨中（工况一）和距跨中截面右侧S/4处（工况二）及S/2（工况三）处两个不同的工况进行静应力分析，其中S为主梁跨度。按GB 50278-2010静载试运转标准，起重机的实际静载荷应为额定载荷的1.25倍，即静载荷为40 t,将小车轮及重物对主梁的压力简化为一均布压在顶板上的两块板上的压力。由圣维南原理可得该板的尺寸为390 mm×380 mm，根据力学原理，单个主梁承受200 kN的重力，每块长板上的压力应为F=100 kN，在 Analysis_Setting中添加重力和载荷。在求解器中添加形变和应力求解项。分别求解三种工况下的应力应变，得到其应力应变云图分别如图5和图6所示。

图4 主梁网格图

图5 主梁应变分布云图

根据结果显示:工况一主梁上产生的最大应力为114.67 MPa,最大形变为7.54 mm；工况二的最大应力为119.9 MPa，最大形变为5.01 mm；工况三的最大应力为63.27 MPa，最大形变为1.78 mm。最大应力都小于材料的许用应力，在小车位于主梁的端部时，在内部筋板产生的切应力也小于许用切应力。形变最大处都在主梁中部且均小于许用挠度。较大应力集中主要在支撑处，主梁腹板和筋板上应力较小，还有较大的应力储备。

3 结 论

对主梁进行有限元静应力分析之后得到了以下结论：1）主梁的最大应力和最大应变均小于许用值，主梁结构强度和刚度满足设计要求；2）在支撑连接处出现较大的应力集中，但均在材料的许用应力范围之内；3）主梁内部部分横加筋板和上下左右的腹板并未承受较大的应力，具有较大的应力储备；4）将支撑处的连接结构加宽以及将尖倒角改为圆倒角以消除部分应力集中，改善承重效果。或将内部横加筋板和上下及左右的腹板厚度减少1 mm，保证结构强度和刚度的同时减少自重，达到轻量化的目的。

图6 主梁应力分布云图