葫蘆式橋式起重機(jī)端梁的有限元分析

1、河南科技學(xué)院新科學(xué)院2016屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）5葫蘆式橋式起重機(jī)的建模與有限元分析學(xué)生姓名： 趙楠楠 所在院系：新科學(xué)院機(jī)械工程系所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化導(dǎo)師姓名： 付素芳完成時(shí)間： 2016年4月20日5t葫蘆式橋式起重機(jī)的建模與有限元分析淺析摘 要由于現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和目前我國(guó)的基礎(chǔ)建設(shè)高峰期，對(duì)起重機(jī)械市場(chǎng)提出了更高的要求。尤其是大噸位的起重機(jī)械的市場(chǎng)需求更是具有很大潛力。葫蘆式橋式起重機(jī)主要適用于A5工作制的車間、倉(cāng)庫(kù)、電站等場(chǎng)合。本文主要對(duì)5t葫蘆式橋式起重機(jī)的梁在實(shí)際工作過(guò)程中出現(xiàn)的變形、應(yīng)力集中等問題進(jìn)行分析研究。用Pro/e進(jìn)行3維建模并對(duì)起重機(jī)的端梁運(yùn)用Ansys進(jìn)

2、行有限元分析。通過(guò)建模和有限元分析可得出梁的最大應(yīng)力、變形、彎曲應(yīng)力的位置和數(shù)值以及材料的特性曲線。可以為設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料選擇方面提供有效的參考以便選取合適的材料并進(jìn)行合理化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：起重機(jī)，Pro/e，有限元分析，應(yīng)力5T hoist bridge crane of modeling and finite element analysisAbstractDue to the development of modern industry and the peak of the current infrastructure, put forward higher requ

3、irements on the crane market. Especially the market of large-tonnage crane also has a lot of potential. Hoist bridge crane is suitable for A5 business workshops, warehouses, power stations, etc. Paper-5T hoist bridge crane beam in practice occurs during deformation, stress concentration problems wer

4、e analyzed. 3-d modeling with Pro/e and using Ansys finite element analysis of crane end beams. Beams can be obtained through modeling and finite element analysis of the stress, deformation, location and value of the bending stress and the characteristic curve of the material. Designers can design o

5、f crane structures, provide effective reference material selection in order to select suitable materials and rationalization of structural design.Keywords: Crane; Pro/e; The finite element analysis; Stress 目錄1緒論11.1課題背景及研究意義11.2葫蘆式橋式起重機(jī)的研究現(xiàn)狀11.3課題研究?jī)?nèi)容22 有限元分析Ansys22.1有限單元法22.2 Ansys簡(jiǎn)介22.2.1組成模塊22.2.

6、2 主要功能介紹33 起重機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀33.1起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀33.1.1 國(guó)內(nèi)起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀33.1.2 國(guó)外起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀43.2 起重機(jī)發(fā)展趨勢(shì)44 5t葫蘆式橋式起重機(jī)的分析與3維建模54.1 5t葫蘆式橋式起重機(jī)的主要性能參數(shù)54.2 起重機(jī)梁的材料54.3 5t葫蘆式橋式起重機(jī)的3維建模64.3.1 Pro/e簡(jiǎn)介64.3.2 端梁的平面結(jié)構(gòu)及尺寸64.3.3 端梁的建模74.3.4 主梁及小車架的建模74.3.5 5t葫蘆式橋式起重機(jī)主要零件的裝配105 端梁的有限元分析135.1 端梁有限元模型的建立135.2 端梁的靜力學(xué)分析155.3 端梁的模態(tài)分析185.4 端梁的

7、瞬態(tài)動(dòng)力分析206 結(jié)論22參考文獻(xiàn)23致謝25I1緒論起重機(jī)源于西歐后經(jīng)原蘇聯(lián)傳入我國(guó)，改革開放40多年以來(lái)，我國(guó)的工業(yè)發(fā)展取得了巨大的成就，尤其是在重工業(yè)、基礎(chǔ)建設(shè)方面的成就更是喜人。隨著我國(guó)工業(yè)的發(fā)展，在運(yùn)輸、裝卸、等方面對(duì)重型機(jī)械的的需要越來(lái)越多。為了適應(yīng)工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)在重型機(jī)械方面也取得了很大的成就。盡管目前我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的起重機(jī)市場(chǎng)和最大的小噸位起重機(jī)產(chǎn)品出口國(guó)，但是在超大噸位的起重機(jī)機(jī)型中，我們的競(jìng)爭(zhēng)力仍然不足。從整個(gè)發(fā)展過(guò)程來(lái)看，國(guó)內(nèi)的起重機(jī)雖然種類很多，但是大部分都是模仿國(guó)外的樣機(jī)測(cè)繪而成，這與當(dāng)前的發(fā)展形勢(shì)是不適應(yīng)的，因此有必要加強(qiáng)起重機(jī)的自主研發(fā)和創(chuàng)新工作。本文主

8、要是對(duì)5t葫蘆式橋式起重機(jī)用Pro/e進(jìn)行3維建模并利用Ansys對(duì)端梁在工作過(guò)程中的受力、變形問題進(jìn)行分析研究。1.1 課題背景及研究意義現(xiàn)代工業(yè)更是要求起重設(shè)備向著自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化的方向發(fā)展，隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入高潮，國(guó)內(nèi)將帶動(dòng)電動(dòng)葫蘆橋式起重機(jī)市場(chǎng)急速擴(kuò)張。起重機(jī)的大型化趨勢(shì)已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的事實(shí)。起重機(jī)作為特種設(shè)備，雖然其向著智能化方向發(fā)展，但是對(duì)作為起重機(jī)的主要部件之一的梁的研究還在不斷進(jìn)行著，其梁的失效會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。造成梁失效的可能原因很多，主要有設(shè)計(jì)不當(dāng)，材料有問題，熱處理不合規(guī)定，使用維護(hù)不當(dāng)?shù)仍蛟斐桑治隽菏У脑颍梢杂行У淖柚故鹿拾l(fā)生，避免

9、造成更大的損失和事故的發(fā)生。1.2 葫蘆式橋式起重機(jī)的研究現(xiàn)狀我國(guó)的各類型起重機(jī)設(shè)計(jì)正在逐步從過(guò)去的仿制過(guò)度到自行研發(fā)設(shè)計(jì)制造的階段。有些機(jī)種和產(chǎn)品，無(wú)論從結(jié)構(gòu)的形式，還是性能指標(biāo)上均有了較高的提升。 橋式起重機(jī)可使重物在一定的立方形空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)起升和搬運(yùn)動(dòng)作。 他的主梁是起重機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的主要受力元件，在起升和搬運(yùn)物品的過(guò)程中應(yīng)力集中、疲勞損傷往往首先發(fā)生在主梁結(jié)構(gòu)上。因此在對(duì)橋式起重機(jī)進(jìn)行主梁疲勞載荷的檢測(cè)和結(jié)構(gòu)無(wú)損探傷應(yīng)著重在主梁的應(yīng)力集中部位。目前有限元分析方法是良好的結(jié)構(gòu)分析方法之一，利用有限元法可以對(duì)幾乎任意復(fù)雜工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并獲取各種機(jī)械性能的信息，對(duì)各種工程設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)分析及評(píng)

10、判。相對(duì)于傳統(tǒng)的材料力學(xué)、理論力學(xué)等計(jì)算方法，有限元法能夠獲得更為精確的結(jié)果，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3 課題研究?jī)?nèi)容本課題重點(diǎn)圍繞采用Pro/e對(duì)5t葫蘆式橋式起重機(jī)主要部件的3維建模、通過(guò)有限元分析軟件Ansys對(duì)起重機(jī)端梁的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、模態(tài)、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的有限元分析分析和研究。從而得出在不同工作條件下端梁的材料選擇、熱處理方法、合理化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及使用過(guò)程中的維護(hù)方法等。2 有限元分析Ansys2.1有限單元法有限單元法本思想將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互聯(lián)結(jié)在一起的單元組合體。由于單元能按不同的聯(lián)結(jié)方式進(jìn)行組合，且單元本身又可以有不同的形狀，因此，可以模

11、型化幾何形狀復(fù)雜的求解域。因此，有限單元法對(duì)求解域的幾何形狀沒有要求，對(duì)于力學(xué)及其他物理問題的求解具有很好的通用性。在計(jì)算過(guò)程中隨著單元數(shù)的增多，解的近似程度也將不斷改進(jìn)。如果單元是滿足收斂要求的，近似解最后將收斂于精確解。有限單元法的應(yīng)用已有彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，由靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題和波動(dòng)問題。分析的對(duì)象從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性，粘塑性和復(fù)合材料等，從固體力學(xué)擴(kuò)展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)等連續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。在工程分析中的作用已從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合。有限單元法作為一個(gè)具有鞏固理論基礎(chǔ)和廣大應(yīng)用效力的數(shù)值分析工具，必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)

12、建設(shè)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。2.2 Ansys簡(jiǎn)介Ansys軟件是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁和聲學(xué)分析與一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研的各個(gè)領(lǐng)域。在我國(guó)，Ansys用戶越來(lái)越多，三峽工程、二灘電站、國(guó)家大劇院等在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)都采用了Ansys作為分析軟件。2.2.1組成模塊Ansys軟件根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域不同，可以分為如下幾個(gè)模塊；Structural：結(jié)構(gòu)分析；Thermal:熱分析；Emag:電磁學(xué)問題分析；Multiphysics:耦合場(chǎng)問題分析；Flotran:流體動(dòng)力學(xué)分析；Mechanical:機(jī)械分析，包括結(jié)構(gòu)和熱分析；LS-Dyna:高度非線性分析，包括結(jié)構(gòu)分析

13、；按照軟件本身的流程結(jié)構(gòu)，可分為前處理、求解、通用后處理、時(shí)間歷程后處理4個(gè)模塊；2.2.2 主要功能介紹Ansys的主要功能如下：u 結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力及反作用力等。主要有：靜力分析、模態(tài)分析、譜分析、諧波分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、屈曲分析、顯示動(dòng)力分析等。u 熱分析熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布及變化情況，以及熱量的獲取、熱梯度和熱通量等。Ansys能完成的熱分析有內(nèi)熱源、相變分析、熱傳遞等。u 電磁分析。Ansys程序能分析電感、電容、渦流、電場(chǎng)分布、磁力線及能量損失等電磁場(chǎng)問題。主要有靜磁場(chǎng)分析、瞬態(tài)磁場(chǎng)分析、交變磁場(chǎng)分析、電場(chǎng)分析和高頻電磁場(chǎng)分析。

14、Ansys還能進(jìn)行聲學(xué)分析、壓電分析、多耦合場(chǎng)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、用戶編程擴(kuò)展功能等。3 起重機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀3.1起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀3.1.1 國(guó)內(nèi)起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)的起重運(yùn)輸機(jī)械行業(yè)從上世紀(jì)50年代60年代開始建立并逐步壯大，已經(jīng)形成了門類的產(chǎn)品和龐大的企業(yè)群體，服務(wù)于國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)。我國(guó)起重機(jī)行業(yè)提供的起重設(shè)備主要服務(wù)于冶金、礦山、鐵路、交通運(yùn)輸、水利水電等行業(yè)，是國(guó)家大型工程項(xiàng)目不可缺少的設(shè)備，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了重要的作用，是我國(guó)發(fā)展不可缺少的行業(yè) 。自2002年以來(lái)中國(guó)起重機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，2006年以突出的業(yè)績(jī)創(chuàng)下歷史新高，由于經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響2008年放緩了增長(zhǎng)速度，但總體來(lái)看，增量依然

15、很大。目前，國(guó)內(nèi)專業(yè)生產(chǎn)大型起重機(jī)的廠家很多。其中以中聯(lián)重科、三一重工、撫挖等公司產(chǎn)品系列較全，市場(chǎng)占有率較高。在國(guó)家經(jīng)濟(jì)政策和基建行業(yè)需求刺激下，中國(guó)起重機(jī)設(shè)備行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模不斷放大，國(guó)內(nèi)起重機(jī)設(shè)備企業(yè)收入利潤(rùn)和出口銷量一直保持同比穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。目前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的起重機(jī)有梁式起重機(jī)、橋式起重機(jī)、門式起重機(jī)等。 圖3-1葫蘆雙梁橋式起重機(jī)圖3-2葫蘆單梁橋式起重機(jī)3.1.2 國(guó)外起重機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)以來(lái)世界起重機(jī)械發(fā)生了很大變化。RT（越野輪胎起重機(jī)）和AT（全地面起重機(jī)）產(chǎn)品迅速發(fā)展，打破了原有產(chǎn)品與市場(chǎng)的格局，在激烈的競(jìng)爭(zhēng)與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的沖擊下，導(dǎo)致世界起重機(jī)械市場(chǎng)走向一體化。目前世界上

16、起重機(jī)械的主要生產(chǎn)國(guó)是美國(guó)、德國(guó)、日本等。世界市場(chǎng)主要集中在北美、歐洲和亞洲美國(guó)是生產(chǎn)起重機(jī)械的主要國(guó)家，也是主要的市場(chǎng)之一。由于日本、德國(guó)的起重機(jī)械的迅速發(fā)準(zhǔn)以及在RT和AT產(chǎn)品的出現(xiàn)，在上世紀(jì)6070年代美國(guó)的市場(chǎng)受到削弱 。從而形成了美國(guó)、日本、德國(guó)三足鼎立的市場(chǎng)格局。到上世紀(jì)末，日本的起重機(jī)械的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品曾一度出口到歐洲等地，市場(chǎng)占有份額躍居世界第一。近年來(lái)，美國(guó)因制造技術(shù)、質(zhì)量問題和價(jià)格昂貴等原因，降低了其在世界上的競(jìng)爭(zhēng)能力。聯(lián)邦德國(guó)德馬克公司（DEMAG），由于實(shí)行了生產(chǎn)技術(shù)振興，解決了提高生產(chǎn)的工藝手段，以占優(yōu)勢(shì)的新產(chǎn)品來(lái)保持其發(fā)展的優(yōu)勢(shì)，該公司1985年研制成DH系列電

17、葫蘆，1990年又研制了DK新系列電葫蘆，其制造的電動(dòng)葫蘆雙梁起重機(jī)有一半以上供出口，產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)上聲譽(yù)很好，銷路甚廣。3.2 起重機(jī)發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，從起重噸位、安全性、智能化、通用性等方面對(duì)起重機(jī)械提出了更高的要求。目前起重機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)主要是：（1） 起重機(jī)的大型化。 近年來(lái)，由于各種大型裝備的出現(xiàn)，對(duì)其起重機(jī)的噸位需求增大，大件吊裝量大幅增加催生了大型起重機(jī)市場(chǎng)的需求。（2） “迷你”起重機(jī)大量涌現(xiàn)。 起重機(jī)向微型化發(fā)展是適應(yīng)現(xiàn)代建設(shè)要求而出現(xiàn)的新趨勢(shì)?，F(xiàn)代工業(yè)向著“大型化”和“微型化”兩個(gè)極限方向發(fā)展。由于微電子技術(shù)以及材料方面的納米技術(shù)的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，“微型化”可以說(shuō)

18、是更現(xiàn)代化的一種趨勢(shì)，因此，市場(chǎng)需求將會(huì)有很大的潛力。（3） 創(chuàng)新設(shè)計(jì)。 傳統(tǒng)的起重機(jī)械出于對(duì)安全性的考慮，使起重機(jī)的尺寸較大，材料浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)式起重機(jī)的尺寸與結(jié)構(gòu)在滿足使用要求的前提下更加的合理。另外，通過(guò)研發(fā)新材料、新工藝、新的傳動(dòng)裝置從而通過(guò)不同的設(shè)計(jì)方案對(duì)比選擇，不斷推出創(chuàng)新設(shè)計(jì)成果。（4） 通用性。 由于工業(yè)的發(fā)展，在不同領(lǐng)域、方面對(duì)起重機(jī)械提出了不同的要求。這就要求各類起重機(jī)械有較好的通用性，以及模塊化與組合的便利性。4 5t葫蘆式橋式起重機(jī)的分析與3維建模4.1 5t葫蘆式橋式起重機(jī)的主要性能參數(shù)葫蘆式起重機(jī)是以電動(dòng)葫蘆為起升機(jī)構(gòu)的起重機(jī)。主要有：鋼絲繩電動(dòng)葫蘆、電

19、動(dòng)單梁橋式起重機(jī)、葫蘆龍門起重機(jī)、葫蘆雙梁橋式起重機(jī)等。其有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、自重輕等特點(diǎn)。葫蘆式起重機(jī)具有分組性好、通用化程度高、改變起升高度容易、安裝檢修方便等優(yōu)點(diǎn)。他的運(yùn)行機(jī)構(gòu)分為集中驅(qū)動(dòng)和分別驅(qū)動(dòng)，由于集中驅(qū)動(dòng)容易啃道、效率低下、安全性不好。故常采用分別驅(qū)動(dòng)。本課題主要研究5t葫蘆式橋式起重機(jī)，這種類型的起重機(jī)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較廣，5t葫蘆式橋式起重機(jī)的主要性能參數(shù)如表1所示表1 5t葫蘆式橋式起重機(jī)的主要性能參數(shù)機(jī)構(gòu)名稱參數(shù)（型號(hào)）機(jī)構(gòu)名稱參數(shù)（型號(hào)）電動(dòng)葫蘆CD1-5-6小車大車起重量（t）5軌距（m）116起升速度（m/min）8車輪直徑（mm）134270工作級(jí)別M3運(yùn)行速度

20、（m/min）2020最大起升高度（m）4.8緩沖行程（mm）4040跨度（m）16最大輪壓（KN）1737電源三相交流 380V 50HZ4.2 起重機(jī)梁的材料金屬材料鋼是起重機(jī)的主要采用的金屬。鋁合金也可以用于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)中，但是這方面的研究主要集中在國(guó)外，這是因?yàn)樗谋戎馗?，延展率更大，而且它的彈性模型太小，?huì)使得需要的材料更多。而且鋼具有可焊性，普通碳素鋼Q235是制造起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)最常用的材料。由化學(xué)成分以及脫氧方法可知，我們可以把Q235分為A, B, C, D四個(gè)質(zhì)量等級(jí)。由GB 700一88普通碳素結(jié)構(gòu)鋼鋼號(hào)和一般技術(shù)條件可知，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)可以選用Q235B, Q235C

21、和Q235D。這是因?yàn)镼235具有很多的優(yōu)良吐能，它的力學(xué)性能比較居中，可以用于橋梁、建筑等各個(gè)領(lǐng)域。也可用于制造強(qiáng)度，一些制造強(qiáng)度要求一般的零件，如螺釘、螺母、螺栓、銷軸、拉桿等也都是由這種材料制成。某些重要的焊接件采用C, D級(jí)鋼。本文研究的起重機(jī)的梁的材料有關(guān)參數(shù)如表2所示表2 起重機(jī)的梁的材料有關(guān)參數(shù)鋼號(hào)密度（kg/m3）屈服強(qiáng)度（Mpa）抗拉強(qiáng)度(Mpa)泊松比Q235B7.82353754600.34.3 5t葫蘆式橋式起重機(jī)的3維建模4.3.1 Pro/e簡(jiǎn)介Pro/e是PTC公司開發(fā)的一款功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)軟件，為用戶提供了一套從設(shè)計(jì)到制造的完整的CAD解決方案，是當(dāng)

22、今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一。廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、模具、汽車、航空航天、消費(fèi)電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、家電和玩具等行業(yè)。該軟件采用單一數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、基于特征的建模技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、全尺寸約束技術(shù)等技術(shù)特點(diǎn)。他主要由草繪、零件、繪圖、組件、Pro/Tookit、Pro/Interface等模塊組成。4.3.2 端梁的平面結(jié)構(gòu)及尺寸端梁主要由4塊腹板以及不同長(zhǎng)度的肋筋焊接而成，其平面圖如圖4-1所示圖4-1起重機(jī)端梁平面圖在對(duì)起重機(jī)的端梁進(jìn)行3維建模時(shí)，首先要對(duì)組成端梁的各個(gè)零件進(jìn)行3為造型，然后利用Peo/e的組件模塊進(jìn)行裝配組合。4.3.3 端梁的建模（1） 首先拉伸組成端梁的腹板：采用

23、拉伸命令，選取TOP面作為草繪基準(zhǔn)面進(jìn)入草繪作圖如圖4-2所示，拉伸出腹板。 圖4-2端梁腹板草繪（2） 然后對(duì)拉伸出的腹板及其他零件進(jìn)行裝配組合，完成對(duì)端梁的建模。如圖4-3所示圖4-3端梁3維圖4.3.4 主梁及小車架的建模（1）點(diǎn)擊“拉伸” ，通過(guò)選擇TOP面作為基準(zhǔn)面進(jìn)入草繪繪制出草圖，拉伸出實(shí)體。如圖4-4所示圖4-4主梁3維實(shí)體圖 （2） 點(diǎn)擊新建基準(zhǔn)面 DTM1 對(duì)主梁與端梁的聯(lián)結(jié)件進(jìn)行建模。選取DTM1為草繪基準(zhǔn)進(jìn)行草圖繪制。如圖4-5所示圖4-5主梁聯(lián)結(jié)零件草繪（3）通過(guò)選取拉伸長(zhǎng)度，得到3維實(shí)體。點(diǎn)擊在實(shí)體上打出6個(gè)Ø21的孔，得到如圖4-6所示的3 維實(shí)體。圖4

24、-6主梁聯(lián)結(jié)零件3維實(shí)體圖（4）將組成主梁的各個(gè)零件進(jìn)行裝配組合得到如圖4-7所示的主梁裝配效果圖。圖4-7主梁3維實(shí)體圖（5）通過(guò)拉伸菜單，選取FRONT為草繪基準(zhǔn)面繪制草圖如圖4-8所示，選取拉伸圖4-8小車架聯(lián)結(jié)板草繪長(zhǎng)度，得到零件實(shí)體。點(diǎn)擊在板上打出4個(gè)直徑為Ø31的孔。得到如圖4-9所示的3維實(shí)體。圖4-9小車架聯(lián)結(jié)板3維實(shí)體圖（6）通過(guò)對(duì)組成小車架的零件的組裝配合得到小車架的裝配效果圖如圖4-10所示。圖4-10小車架3維實(shí)體圖4.3.5 5t葫蘆式橋式起重機(jī)主要零件的裝配通過(guò)Pro/e對(duì)5t葫蘆式橋式起重機(jī)的端梁、主梁、小車架的主要零件進(jìn)行3維造型與裝配得到了端梁。主梁

25、、小車架的裝配體?，F(xiàn)對(duì)5t葫蘆式橋式起重機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單的組裝配合。（1） 首先點(diǎn)擊，命名為qizhongjizhuangpei，如圖4-11所示圖4-11新建組件文件，準(zhǔn)備進(jìn)行起重機(jī)主要部件的裝配。（2） 點(diǎn)擊導(dǎo)入端梁的裝配體，如圖4-12所示圖4-12（1） 繼續(xù)點(diǎn)擊導(dǎo)入主梁的裝配體，如圖4-13選擇新建約束，圖4-13選擇主梁的軸線與端梁的軸線相垂直為約束一；繼續(xù)添加約束，選擇主梁上的聯(lián)結(jié)螺紋孔與端梁的聯(lián)結(jié)螺紋孔相配合。獲得主梁與端梁的裝配效果圖如圖4-14所示圖4-14起重架梁3維實(shí)體圖（2）繼續(xù)點(diǎn)擊導(dǎo)入小車架的裝配體，如圖4-15所示圖4-15新建約束，選擇主梁的上面與小車架的下端面配合為

26、第一約束，繼續(xù)選擇小車架的裝配中心面與端梁的裝配中心面對(duì)齊為第二約束完成小車架的配合。點(diǎn)擊完成對(duì)5t葫蘆式橋式起重機(jī)的主要零件的組合裝配。如圖4-16所示圖4-16起重機(jī)主要零件裝配圖5 端梁的有限元分析5.1 端梁有限元模型的建立在Ansys的前處理模塊中設(shè)置單元類型、分析類型、材料參數(shù)等，在本文中主要采用Beam188梁?jiǎn)卧?。Shell63單元具有彎曲和薄膜能力，且該平直梁的板材長(zhǎng)度不小于其厚度10倍，應(yīng)選用Shell63單元。5t葫蘆式橋式起重機(jī)的端梁其聯(lián)結(jié)和支撐的作用采用Beam188單元，該單元使用于應(yīng)力強(qiáng)化部分符合端梁的實(shí)際受載情況。建模過(guò)程采用自下而上的方法，通過(guò)一次創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)、

27、線、面等單元達(dá)到最終的建模效果。端梁的材料采用Q235B，其具體參數(shù)如下表3所示。表3 Q235B參數(shù)密度（g/m3）彈性模量（Pa）泊松比7.852.01×10110.3（1）打開Ansys Mechanical APDL Product Launcher, 在程序?qū)υ捒蛑性O(shè)置工作目錄名稱和工作項(xiàng)目名，單機(jī)Run運(yùn)行Ansys 主程序。（2）定義單元：選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete, 在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊Add按鈕；彈出Library of Element Type, 選中Beam . 2

28、 node 188 如圖5-1所示，單擊OK按鈕確認(rèn)并關(guān)閉Element Type 對(duì)話框。圖5-1（3）定義材料特性：選擇Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models，彈出 Define Material Model Behavior 對(duì)話框。在對(duì)話框右欄中選擇Structure>Linear>elastic>Isotropic，彈出 Linear Isotropic Material Properties對(duì)話框；設(shè)置EX為2.01E11，泊松比為0.3如圖5-2所示，單擊OK。圖5-2（2）

29、定義梁?jiǎn)卧孛妫哼x擇Main Menu>Preprocessor>Sections>Beam>Common Sections，彈出 Beam Tool 對(duì)話框，設(shè)置截面尺寸如圖3所示圖5-3通過(guò)關(guān)鍵點(diǎn)、線創(chuàng)建梁?jiǎn)卧?。利用網(wǎng)格劃分工具對(duì)梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是Ansys有限元分析的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分的方法和類型直接影響單元的規(guī)模和分析的計(jì)算精度。網(wǎng)格劃分太稀，計(jì)算簡(jiǎn)便，但是計(jì)算精度不高，與實(shí)際工作情況相差太大。網(wǎng)格劃分太密會(huì)提高計(jì)算結(jié)果的精度，但是會(huì)增大運(yùn)算量。因此，要綜合考慮計(jì)算規(guī)模和計(jì)算精度來(lái)確定網(wǎng)格劃分精度。通過(guò)多次計(jì)算分析，確定網(wǎng)格大小為0.1m，采取自由化分的

30、方法。劃分結(jié)果如圖5-4所示，完成前處理工作。圖5-4端梁的網(wǎng)格劃分5.2 端梁的靜力學(xué)分析（1）加載與求解：選擇Main>Menu>Solution>Define>Load>Apply>Structural>Displacement>On Nodes，彈出“實(shí)體選擇”對(duì)話框，選擇梁的兩個(gè)端點(diǎn)，單擊ALL DOF，單擊OK。如圖5-5所示圖5-5（3） 選擇：Main>Menu>Solution>Define>Load>Apply>Structural>Force/Moment>On Nodes,選

31、擇坐標(biāo)為（1100,0,0）（2300,0,0）兩點(diǎn)施加靜載荷1000N。如圖5-6所示圖5-6（3）求解：Main>Menu>Solution>Solve>Current LS, 彈出Solve Current Load Step對(duì)話框和一個(gè)信息框，在對(duì)話框中單擊OK,開始求解。（4）靜力學(xué)分析主要是指計(jì)算分析結(jié)構(gòu)應(yīng)變、應(yīng)力的分布和大小。分別對(duì)相同力作用在不同的作用點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。得到有限元分析的結(jié)果如圖所示，獲得了起重機(jī)的端梁在相同的力在不同作用點(diǎn)作用下的變形、支反力、最大應(yīng)力和應(yīng)變的值以及分布情況。（a）小跨度作用力端梁變形量云圖（b）大跨度作用力端梁變形量云圖

32、由（圖5-7 a、b）分析結(jié)果可以看出當(dāng)增大端梁上的力的作用跨度時(shí)，端梁的最大變形量有所減少。所以在設(shè)計(jì)起重機(jī)的結(jié)構(gòu)時(shí)在滿足工作條件的情況下應(yīng)盡可能的增大力的作用跨度，從而在相同的工作條件下使端梁有較小的變相形量，進(jìn)而延長(zhǎng)梁的壽命。 （a）應(yīng)力云圖 （b）應(yīng)力云圖 圖5-8端梁的彎曲應(yīng)力云圖通過(guò)對(duì)起重機(jī)端梁結(jié)構(gòu)不同受力跨度靜力分析結(jié)果的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)端梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變較結(jié)構(gòu)改進(jìn)之前的應(yīng)力、應(yīng)變有所減小。在符合工作條件的前提下，可以對(duì)主梁的尺寸優(yōu)化，達(dá)到節(jié)約鋼材、降低制造成本的目的，應(yīng)力云圖可以為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，從而降低了起重機(jī)的自重。更為起重機(jī)的輕量化發(fā)展和端梁的新式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

33、5.3 端梁的模態(tài)分析模態(tài)分析用于確定系統(tǒng)的振動(dòng)特性，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。模態(tài)分析可以是瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析或譜分析的出發(fā)點(diǎn)。通過(guò)模態(tài)分析，可以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上減少共振，使設(shè)計(jì)者了解對(duì)于不同類型的動(dòng)載荷的響應(yīng)情況。在對(duì)起重機(jī)的端梁進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)采用5-1節(jié)建立的有限元模型，前處理完成后，開始加載求解。在得到初始解后，再進(jìn)行模態(tài)擴(kuò)展查看。（1）定義分析類型：Main>Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis 在彈出的對(duì)話框中選擇Modal 點(diǎn)擊OK確定分析類型為模態(tài)分析。如圖5-

34、9所示圖5-9(2)施加載荷。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束。GUI:【Main Mean】/【Solution】/【Define Loads】/【Apply】/【Structural】/【Displacement】/【On Nodes】在梁的兩端施加全位移約束。(3)開始求解。GUI:【Main Mean】/【Solution】/【Solve】/【Current LS】在端梁靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出端梁的固有頻率如圖5-10所示圖5-10 端梁的各階振動(dòng)頻率圖5-11圖5-12分別是第一階至第四階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振動(dòng)型，圖5-11 第一階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振型圖5

35、-12 第四階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振型圖5-13 第十階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的振型起重機(jī)端梁有限元模型建立的好壞直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果是否合理和正確的重要問題。有限元模型的建立和Ansys的計(jì)算求解，可以方便有效的計(jì)算起重機(jī)端梁的裝配模型。通過(guò)振動(dòng)模態(tài)的計(jì)算分析，可以說(shuō)明該端梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有較高的強(qiáng)度和剛度，能夠滿足使用要求。5.4 端梁的瞬態(tài)動(dòng)力分析瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)是工程中關(guān)注的問題。瞬態(tài)分析可以確定承受任意的隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)；因此，可用其分析確定結(jié)構(gòu)在靜載荷、瞬態(tài)載荷和簡(jiǎn)諧載荷的隨意組合作用下隨時(shí)間變化的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及作用力情況，幫助設(shè)計(jì)人員更好的模擬結(jié)構(gòu)承受實(shí)際工況時(shí)的響應(yīng)情況。在對(duì)起

36、重機(jī)端梁進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析時(shí)采用5-1節(jié)建建立的有限元模型，完成前處理工作。（1）選擇分析類型。選擇Main>Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis。 在彈出的對(duì)話框中選擇Transient，單擊OK按鈕確認(rèn)。在彈出的對(duì)話框中選擇Full, 單擊OK按鈕確認(rèn)，選擇完全法進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。（2）定義約束、施加載荷。GUI:【Main Mean】/【Solution】/【Define Loads】/【Apply】/【Structural】/【Displacement】/【On Nodes】在梁的兩端施加全位移約束。在起重機(jī)的端梁上施

37、加一個(gè)短時(shí)間的變載荷如圖所示。圖5-14 力的時(shí)間曲線（3）使用載荷步文件求解：選擇Main>Menu>Solution>Solve>From LS Files。彈出對(duì)話框，在對(duì)話框中設(shè)置LSMIN起始載荷文件號(hào)為1號(hào)，LSMAX結(jié)束載荷步文件號(hào)為4號(hào)。LSINC載荷文件號(hào)增量為1，單擊OK按鈕確認(rèn)。（4）進(jìn)入時(shí)間后處理器進(jìn)行求解。圖5-15受力節(jié)點(diǎn)的Y向位移時(shí)間歷程曲線圖5-16端梁形變量云圖對(duì)起重機(jī)端梁在承受一短時(shí)間的變載荷進(jìn)行了分析研究，結(jié)果如圖5-15和圖5-16所示。起重機(jī)作業(yè)的形式多種多樣，在工作過(guò)程中也存在多重風(fēng)險(xiǎn)。這就要求在設(shè)計(jì)上考慮的更全面。在安全上考慮的更周到。瞬態(tài)動(dòng)力分析更好的模擬了現(xiàn)實(shí)工作條件，更好的還原了工作現(xiàn)場(chǎng)。因此，瞬態(tài)動(dòng)力分析的結(jié)果為設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)能提供很大的幫助。6 結(jié)論本課題圍繞對(duì)5t葫蘆式橋式起重機(jī)用Pro/e進(jìn)行3維實(shí)體建模并對(duì)起重機(jī)的端梁在實(shí)際工作條件下的變形、應(yīng)力集中等問題利用有限元分析軟件Ansys進(jìn)行了靜力學(xué)、模態(tài)、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的有限元分析。通過(guò)一系列的分析研究主要得到以下結(jié)果： （1）對(duì)主梁作用在端梁上的力的不同作用跨度