基于ANSYS平台的装卸桥结构有限元分析

第６期（总第１８１期）　２０１３年１２月　机械工程与自动化　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　＆　ＡＵＴ（）ＭＡＴＩ（）Ｎ　Ｎｏ．６　Ｄｅｃ．　文章编号：１６７２—６４１３（２０１３）０６—００６０—０３　基于ＡＮＳＹＳ平台的装卸桥结构有限元分析　荆　辉，杨正茂　（太原科技大学机械工程学院，山西太原　Ｏ３００２４）　摘要：装卸桥是一种广泛使用的起重机械。以现有的某８０　ｔ／３８　ｍ装卸桥为研究对象，采用ＡＮＳＹＳ分析装　卸桥起重机的特点，对其在不同工况和组合载荷下进行了结构静强度和刚度分析、动态刚性分析，为装卸桥　金属结构的设计提供理论依据。　关键词：装卸桥结构；有限元法；模态分析　中图分类号：ＴＨ２ｌ３．４：ＴＰ３９１．７７　文献标识码：Ａ　０　引言　装卸桥是指跨度在３５　ｍ以上的桁架门式起重　机［１］，由于自重较轻、制造安装容易、维修方便、迎风面　积小和外形美观等优点，在铁路货场及工程建设中有　着广泛的应用，其稳定运行是整个结构系统安全的保　证，对其进行结构强度和刚度分析具有显著意义。　本文结合起重运输机械金属结构理论，利用有限　元分析软件ＡＮＳＹＳ对某厂生产的ＭＥ８０　ｔ／３８　ｍ装　卸桥进行了结构静强度和刚度分析及动态刚性分析，　以期通过数字化模型的虚拟试验来模拟物理试验，提　高设计质量，缩短制造周期，降低制造成本。　１　装卸桥有限元模型的建立　图ｌ为装卸桥有限元模型，图２为装卸桥主梁有　限元模型的局部放大图。其主要参数如下：跨度３８　ｍ；额定起升载荷８０　ｔ；小车运行速度６　ｍ／ｍｉｎ￣大车运　行速度８　ｍ／ｍｉｎ；起升高度１４．６　ｍ；主梁框架的轴线　高度２．７　ｍ；框架轴线宽度１．３　ｍ；节间长度１．５　ｍ；小　车轨距２．６　ｍ；整机自重１０４　ｔ。　ＡＰＤＬ）对其进行立体建模。主要结构包括２根主梁、　２个主梁保持架及２个下横梁、２个刚性支腿和２个柔　性支腿。主梁是由４个２８ｂ槽钢焊接而成的桁架结　构，支腿由空心圆管焊接而成。对于钢丝滑轮系统，仅　考虑其对整机结构的线性作用，即按照受力等效的原　则将钢丝滑轮系统对结构的作用力作为换算载荷施加　在模型上。考虑到既要承受拉压、扭转载荷，又要承受　弯曲作用，选择３Ｄ梁单元Ｂｅａｍ１８９对装卸桥桁架建　模，该单元是建立在Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ梁分析理论基础上　的，默认剪切效应和大变形效应Ｌ２］。　２装卸桥工况及其组合载荷的施加　２．１　工况的确定　本文选择４个典型受力的工况进行综合分析：工　况１，大车不动，小车运行至跨中制动，吊重下降制动，　风顺着大车轨道；工况２，大车不动，小车运行至悬臂　极限位置制动，吊重下降制动，风顺着大车轨道；工况　３，大车不动，小车运行至柔性支腿侧极限端制动，吊重　下降制动，风顺着大车轨道；工况４，大车运行制动，小　车满载位移跨中，吊重下降制动，风顺着大车轨道。　２．２计算载荷与组合　对装卸桥进行静力学分析时，应充分考虑到起重机　工作运行中起升、制动和冲击所产生的冲击载荷（又称　为惯性载荷）【３］，４种工况下载荷组合确定如表１所示。　计算载荷的几点说明如下：　（１）确定起升冲击系数　。一１．２，起升载荷动载系　数　：１．１７５，运行冲击系数仇一１．１。　（２）计算小车在水平面内纵向或者横向运行启　（制）动时的水平惯性力时，小车在中速长距离运行下，　取其加速度“。一０．２　ｍ／ｓ　，小车的重力　小车ｇ一１２０　　：！，　：　ｒ－：　…－ｒ…。　＝　：　＝　＿：　‘：　　：　……　－，　图ｌ　装卸桥有限元模型　（缩放因子为２．０）　图２装卸桥主梁局部放　大图【缩放因子为１．０）　该装卸桥为对称桁架结构，根据其结构形式及载　荷特点，利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ中的参数化设　计语言（ＡＮＳＹＳ　Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｌａｎｇｕａｇｅ，　收稿日期：２０１　３—０４—１２；修回Ｅｌ期：２０１３—０６一ｌ６　作者简介：荆辉（１９８８一），男，山西运城人，在读硕士研究生，主要研究方向：重大机械装备结构ＣＡＤ／ＣＡＥ。　２０１３年第６期　荆辉，等：基于ＡＮＳＹＳ平台的装卸桥结构有限元分析　・　６１　・　ｋＮ，ＰＨｘ一　小车ａｌ一３６　ｋＮ。其中，ｍｄ、车为小车质　量，仇为装卸桥运行驱动力突变时对结构的动力效应　系数，传动系统中存在微小的间隙，加速力呈连续但非　平稳的变化，取　一１．５。　表ｌ　４种典型工况下的载荷组合表　结构自重　小车自重　起升载荷　大车惯　小车惯　工作状态　工况　载荷ＰＧ　载荷Ｇｘｃ　Ｐｏ　性力ＰＨ　性力ＰＨｘ　风载Ｐ　１　２　３　４　Ｐｃ　仍Ｐ６　１Ｐｖ　ＰＧ　仇Ｇｘｃ　仇ＧＸＣ　仇ＧＸＣ　仇ＧＸＣ　仇ＰＱ　仇ＰＱ　仇ＰＱ　仇ＰＱ　ＰＨ　ＰＨＸ　ＰＨＸ　Ｐ　Ｐ　Ｐ　Ｐ　Ｐ　ｉ　３装卸桥静强度和静刚度的校核　３．１结构静强度校核　静强度计算要按照最不利载荷组合对危险截面进　行强度校核。该装卸桥的安全系数取１．６，材料Ｑ２３５　的屈服极限Ｇｓ一２３５　ＭＰａ，因此该装卸桥的许用应力　［　为１４６．８　ＭＰａ。表２为４种载荷工况的位移和应　力情况。由表２看到，在４种工况下金属结构的最大　应力远小于［ｄ］。　表２　４种载荷组合工况的位移和应力情况　工况１　工况２　工况３　工况４　最大位移（ｍｍ）　最大应力（ＭＰａ）　５２．２　１１０　３８．１　７４．９　４２．８　８４．３　４６．５　９６．５　（３）计算大车在水平面内纵向或者横向运行启　（制）动时的水平惯性力时，大车在中速长距离运行下，　取其加速度ｎ２—０．２５ｍ／ｓ。，ＰＨ一仍　大车ｎ２＝０．３７５　大车。其中，，　大车为大车质量。需要指出的是：这里　是将挠性悬挂的总起升质量与起重机刚性连接来考虑　的，这样计算的结果将稍偏大，这些惯性力分别作用在　相应质量上。　（４）工作状态风载荷Ｐ　＝４００　Ｎ／ｍ。，表征了装　卸桥在工作时应能承受的最大风力。　２．３约束条件的施加　图３为工况１的位移云图，图４为工况２的等效　应力云图。由图３可知，跨中的最大位移为５２．２　ｍｍ；由图４可知，当小车满载运行至主梁跨中位置　时，整机所受的应力最大，　一１１０　ＭＰａ，小于起重机　设计许用应力［　］，最大应力出现在跨中位置。主梁、　支腿、主梁保持架及下横梁应力分布比较均匀，过度的　应力集中现象没有出现，与实际情况较为符合，满足设　计要求。　３．２结构静刚度校核　考虑工程实际中支腿变形的影响，假设大车行走　车轮与轨道之间为点接触行为。　（１）对于静力学分析，除释放大车轨道方向及绕　轨道方向的自由度以外，其他自由度全部约束，这样可　将支腿顶部受压弯下挠引起主梁下挠的影响降低，使得　计算结果逼近真实值，且符合静载试验的实际情况。　（２）对于动力学分析，在模态分析中，仅认同所施　加的固定位移约束，如果施加的位移约束不够，则会计　算出零频率或接近的刚体位移模态［４］，故应将支腿低　端和下横梁进行全约束。　龙门起重机的主梁在垂直载荷作用下，用跨中产　生的静挠度ｙ　表征主梁的静刚度。此时，整机施加　的结构载荷不考虑动荷系数，并且不计结构自重。由　起重机设计规范手册知该机的静刚度准则为：ｙＬ≤Ｌ／　７００（其中Ｌ为起重机的跨度）。对于本例，跨度为３８　ｍ，故ｙＬ≤５４．２　ｍｍ。　图５为ＡＮＳＹＳ计算得到的跨中满载（不计自重）　位移云图，最大位移为４９．７　ｍｍ，而许用的最大位移　为５４．２　ｍｍ，静刚度满足要求。　图３　工况１的位移云图　图４　工况２的等效应力云图　图５　跨中满载（不计自重）位移云图　４装卸桥结构动态刚性的校核　在实际工程使用中，动态刚性对装卸桥司机的工　结构设计，尤其是金属结构的质量，来改变整机振动出　现的频率范围，以提高司机操作的舒适性。　表３装卸桥结构固有频率及振型运动趋势　阶数　１　２　频率（Ｈｚ）　１．１２５　６　１．５４６　５　动态变形（ｍｍ）　６．Ｏ５１　８．１５４　振动运动趋势评价　横向水平　纵向水平　作条件以及桥架的疲劳性能具有重要影响　］。因此，　应对起重机的动态刚性进行校核计算。　有限元模态分析是利用有限元法确定系统固有频　率和振型的，采用Ｂｌｏｃｋ　Ｌａｎｃｚｏｓ法提取前５阶模态，　得到的装卸桥结构前５阶自振频率如表３所示。　由于装卸桥结构对称，所以有些固有频率值非常　相近。当外部激励的频率接近表３中的数值时，可能　产生较大振幅，使结构受到损伤，因此可通过修改金属　３　４　５　２．２３０　１　２．３５２　６　３．５８４　１　９．８０３　１０．７０３　９．２８７　同向水平弯曲　－　反向水平弯曲　横向水平　５　结论　（１）装卸桥的静应力分布较为均匀，各种工况下　・　６２　・　机械工程与自动化　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ。２０ｌ２，１９０／１９ｌ：３７３－３８０．　２０１３年第６期　的最大应力均小于许用应力值，跨中最大位移也小于　许用静位移，其金属结构静强度和静刚度符合要求。　（２）对装卸桥结构有限元分析所得到的强度和刚　度分析结果，可为装卸桥的进一步结构优化设计提供　参考，也可为装卸桥承载能力可靠性分析奠定基础。　（３）由模态分析的结果可知，主梁结构的第ｌ阶　固有频率为１．１２５　６　Ｈｚ，小于ＧＢ３８１ｌ一２００８起重机　设计规范中龙门起重机的频率控制推荐值２　Ｈｚ，动态　刚性并不满足规范要求，应通过增加对地刚度或者轻　量化设计减轻整机质量以改善其动态刚度［６］。　参考文献：　［２］Ｚｈａｎｇ　Ｈｄｅｎ，Ｊｉｎ　Ｄａｖｉｄ．Ｍｏｄａｌ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｖｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｇａｎｔｒｙ　ｃｒａｎｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ＡＮＳＹＳ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１２．１６４（４）：４５６—４５９．　［３３徐格宁．金属装备金属结构设计［Ｍ］．第２版．北京：机械　工业出版社．２ＯｌＯ．　［４］曾攀，雷丽萍，方刚．基于ＡＮＳＹＳ平台有限元分析手　册——结构的建模与分析［Ｍ］．北京：机械工业出版社，　２ＯｌＯ．　［５］肖浩，许竹铭。基于ＡＮＳＹＳ的固定式起重机臂架结构有　限元分析［Ｊ］．湖北工业大学学报，２０１２，２７（５）：３３—３６．　［６］杨正茂。盂文俊．基于ＡＮｓＹｓ的桥式起重机金属结构可　［１３　Ｔａｎ　Ｙｏｎｇ—Ｈｏｎｇ．Ｌｉｕ　Ｑｉｎｇ．Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｏｗｅｒ　ｃｒａｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ『Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　靠性分析［Ｊ］．起重运输机械，２０１３（３）：３３—３６．　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　ｆｏｒ　Ｌｏａｄｉｎｇ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ＪＩＮＧ　Ｈｕｉ．ＹＡＮＧ　Ｚｈｅｎｇ－ｍａｏ　（Ｓｅｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。Ｔａｉｙｕａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ　０３００２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｉｓ　ａ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｌｉｆｒｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ．ｉｔｓ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｒｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｍｅｔａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｇａｎｔｒｙ　ｃｒａｎｅ．Ｔａｋｉｎｇ　ａｎ　８０ｔ／３８ｍ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎｄ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｌｏａｄ　ｂｙ　ＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｌｏａｄｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｌｏａｄｉｎｇ　ｂｒｉｄｇｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）；ｍｏｄａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　（上接第５９页）　因该型塔机材料为塑性材料，而第三强度理论偏　向于安全，第四强度理论则与试验资料更为吻合，所以　相当应力在此按形状改变比能理论确定为　。通过　图２可知，塔式起重机材料满足要求。　其中：［　］为构件的许用挠度；［　为构件的许用转角。　在此将塔机结构视为整根梁，校核时只需考虑挠　度条件，通过图３可知，此塔机结构也能满足要求。　４　结语　从该型塔式起重机的有限元分析过程与计算结果　可以总结出以下两点：　（１）有限元法为结构设计与结构分析的有效方　法，它易于将复杂的工程问题变为简便的分析计算。　（２）此次分析中存在着诸如部分载荷对塔机结构　的影响被忽略、模型简化相对简单等不足，有待于ｌｅｔ后　继续研究。　参考文献：　ｌ２．１学‘　‰．４髫’　‰．７　’。‰．０　’ｉ　３４５　图３塔式起重机位移云图　３．３刚度校核　［１］张孟辉，殷玉枫，吕西波，等．基于ＡＮＳＹＳ的塔式起重机　在工程实际中，结构除应满足强度条件外，还要满　足刚度条件，通常要求其最大挠度或最大转角不得超　过某一规定值，即：　≤ｒｙ］。　≤［　。　。　结构有限元分析【Ｊ］．起重运输机械，２０１２（１０）：３６—３９．　［２］张桢，马俊．基于ＡＮＳＹＳ的塔式起重机建模与分析［Ｊ］．　建筑机械化．２０１０（８）：５８—６０．　［３］孙训方，方孝淑，关来泰．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育　出版社．２００９．　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｏｗｅｒ　Ｃｒａｎｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　ＷＡＮＧ　Ｙｕ．ＬＵ　Ｌｉｎｇ，ＬＩ　Ｗｅｎ－ｔａｏ　（Ｊｉｌｉｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ。Ｊｉｌｉｎ　１３２０２１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｔａｋｉｎｇ　ＡＮＳＹＳ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｓ　ａ　ｍａｊｏｒ　ｔｏｏ１．ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ａ　ｔｏｗｅｒ　ｃｒａｎｅ　ｉｓ　ｓｅｔ　ｕｐ・ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｏｗｅｒ　ｃｒａｎｅ　ｍｏｄｅｌ　ｉｓ　ｃａｒｒｉｅｄ　ＯＵｔ．Ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｏｗｅｒ　ｃｒａｎｅ　ａｒｅ　ｃｈｅｃｋｅｄ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ａｎｄ　ｉｔ　ａｌｓｏ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｈｅｏｒｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｏｗｅｒ　ｃｒａｎｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｏｗｅｒ　ｃｒａｎｅ；ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ；ＡＮＳＹＳ；ａｎａｌｙｓｉｓ