双梁桥式起重机主梁有限元模态及屈曲分析

2022-09-11陈国胜周国鹏王志斌

设备管理与维修 2022年11期

陈国胜，周国鹏，张阳，王志斌

（1.湖北特种设备检验检测研究院咸宁分院，湖北咸宁 437100；2.湖北科技学院工程技术研究院，湖北咸宁 437100；3.湖北香城智能机电产业技术研究院，湖北咸宁 437100）

0 引言

桥式起重机是横架于车间、仓库和料场上空进行物料吊运的起重设备，是目前使用范围最广、数量最多的一种起重机械。桥式起重机通常由桥架、小车、提升机构以及操纵室等组成，主梁是桥架的重要组成部分，是桥式起重机吊运过程中承受载荷最核心的部件，其性能对于桥式起重机的影响非常大。

研究人员针对桥式起重机的主梁做了大量的研究。宋恒家[1]分析了若干种常见情形的主梁跨中挠度计算公式；陈国璋[2]介绍国内外桥式起重机的静刚度控制情况，给出来满足静刚度的下挠校核公式。杨从从等[3]进行了桥式起重机的主梁静力学分析。张天佑等[4]针对起重机主梁的翼缘板屈曲稳定性问题进行了仿真分析。冯立霞等[5]以双梁桥式起重机的桥架为研究对象，进行了模态分析、谐响应分析。

在上述研究人员的基础上，以双梁桥式起重机QD75 t-31.5 m的主梁为研究对象，进行了危险工况下的主梁静力学分析、主梁屈曲分析、主梁模态分析，为设计校核提供参考依据。

1 主梁跨中挠度的理论计算

1.1 桥式起重机

桥架是桥式起重机的基本构件，由主梁、端梁和走台等组成。桥架沿高架轨道纵向运行，起重小车沿桥架上的导轨横向运行，提升机构沿铅锤方向升降，形成长方体的工作空间（图1）。型号为QD75 t-31.5 m-A3 的双梁桥式起重机，制造材料为Q235，主梁是正轨箱型梁，由上翼缘板、下翼缘板、腹板以及隔板组成。主梁截面几何参数如下：翼缘板厚度和宽度分别为20 mm 和800 mm，腹板厚度和高度为8 mm 和2000 mm，主梁腹板间距为720 mm。

图1 双梁桥式起重机

1.2 主梁跨中挠度计算

将主梁的约束简化为简支梁约束，主要承受重力载荷和小车轮压载荷（图2）。

图2 主梁的简支梁力学模型

小车在跨中位置时，轮压P1、P2处于跨中两侧的对称位置。实际工况小车载荷偏心微小，因此忽略轮压P1、P2之间的差异，均记为P。在轮压载荷P 作用下，主梁的跨中挠度ωp为[6]：。在自重载荷q 作用下，主梁的跨中挠度ωq为：。其中，跨度S=31 500 mm，轮子间距b=3500 mm，L=14 000 m，均布载荷集度q=0.005 68 kN/mm，轮压P=243 kN，材料弹性模量E=200 GPa，主梁截面惯性矩Iz=4.33×1010mm4。

根据弯曲变形的叠加法，图2 的跨中挠度ω 分别为算式：ωa=2ωp+ωq，ωb=2ωp。

2 主梁的有限元分析

针对主梁模型进行简化处理，通过SolidWorks 软件三维建模，保存为多实体零件（图3）。导入ANSYS Workbench 中，利用DM 模块进行模型处理：赋予Structural Steel 材料模型，Parts 之间均采用Bond 接触类型，采用Solid185 实体单元进行网格划分（图4）。

图3 主梁几何模型

图4 主梁网格控制

2.1 主梁静力分析

利用Remote Displacement 模拟简支约束，利用Force 施加小车处于跨中位置形成的轮压载荷（图5）。

图5 静力学分析的边界条件和加载

2.2 主梁屈曲分析

屈曲分析研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定结构失稳的临界载荷，包括线性屈曲和非线性屈曲分析。本文的屈曲分析属于线性屈曲分析，在静力学分析的基础上进行。在简支约束条件下，考虑主梁自重、施加外载、边界条件和加载情况（图6）。

2.3 主梁模态分析

模态分析是研究结构动力特性一种方法。模态是机械结构的固有振动特性，每一阶模态都有固有频率、阻尼比以及振型。本文的模态分析在静力学分析的基础上进行。在简支约束条件下，考虑主梁自重、边界条件和加载情况（图7）。

图7 模态分析的边界条件和加载

3 仿真结果与分析

3.1 主梁静力分析

起重机的静态刚性是额定起重量和小车自重在主梁跨中所产生的垂直静挠度与起重机跨度的比值[7]。在不考虑主梁自重的条件下，小车位于跨中位置时主钩起吊75 t 额定载荷，主梁Y 方向产生的最大挠度值为36.64 mm，满足规范中的不超过主梁跨度的1/750≈42 mm，满足GB/T 3811—2008《起重机设计规范》的主梁静刚性要求（图8）。