基于ansys的橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的有限元分析

基于ansys的橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的有限元分析

1橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析橋梁重量機(jī)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的各個(gè)領(lǐng)域。橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量在起重機(jī)總質(zhì)量中占有較大比例，減輕其結(jié)構(gòu)質(zhì)量、降低制造成本一直是設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)之一。橋式起重機(jī)橋架是最主要的承載結(jié)構(gòu)部件，其質(zhì)量在結(jié)構(gòu)總質(zhì)量中所占比例最高，且對其他結(jié)構(gòu)影響較大。研究橋式起重機(jī)的橋架結(jié)構(gòu)、優(yōu)化其截面型式，減小質(zhì)量，具有十分重要的意義。為使橋式起重機(jī)各部分具有與額定載荷和工作條件相適應(yīng)的強(qiáng)度，應(yīng)在保證剛性和耐久性的基礎(chǔ)上，減輕整機(jī)的質(zhì)量。傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法是在給定參數(shù)的條件下設(shè)計(jì)橋式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)，在此過程中用到的多數(shù)計(jì)算公式是以簡化結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型為前提，并且是在某種假定條件下成立，計(jì)算出來的誤差較大，很難對局部的每個(gè)細(xì)節(jié)桿件求出具體的應(yīng)力數(shù)值。為了解決這種計(jì)算上的不足，采用三維有限元分析軟件ANSYS對橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。用該軟件建立橋架結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型，仿真橋式起重機(jī)的受載荷狀態(tài)，得出在載荷組合作用下的橋架應(yīng)力分布、過載變形程度和主要部位的應(yīng)力值，并與傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法的結(jié)果進(jìn)行比較，若變形的程度和應(yīng)力不符合結(jié)構(gòu)的許用要求，進(jìn)行相應(yīng)修正，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理，以提高設(shè)備的安全性和可靠性。2橋架結(jié)構(gòu)形式為雙主梁結(jié)構(gòu)該橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)為三角形截面的桁架結(jié)構(gòu)，橋架支撐在兩個(gè)支腿上，支腿采用圓鋼管形式，其中一個(gè)為剛性支腿，另一個(gè)為撓性支腿。橋架采用雙主梁結(jié)構(gòu)形式，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)懸掛在主梁上，司機(jī)室安裝在剛性支腿上。橋式起重機(jī)橋架的結(jié)構(gòu)如圖1所示，部分相關(guān)參數(shù)如下：(1)起重量：Q=10t;(2)起升高度：H=12m;(3)跨度：L=30m;(4)有效懸臂：L=10m;(5)工作速度：起升：V3間接有限元建模在建立有限元模型時(shí)，首先要考慮的是如何使有限元模型與機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外型達(dá)成一致。由于起重機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)點(diǎn)、單元數(shù)目眾多，因此應(yīng)采用間接法進(jìn)行有限元建模。該方法通過點(diǎn)、線、面、體積，先建立機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何外型，再進(jìn)行實(shí)模型網(wǎng)格（Meshin幼分割，以完成有限元模型的建立）。包括明確分析對象、考慮建立物理模型的全部還是部分模型、模型中應(yīng)該使用什么樣的單元、確定劃分網(wǎng)格的密等問題。在一般情況下，當(dāng)決定上述問題時(shí)，必須權(quán)衡計(jì)算成本和計(jì)算精度。模型規(guī)劃的好壞在很大程度上決定了有限元分析的成敗。本文建模方法用的是自頂向下的方法，網(wǎng)格劃分采用自由劃分。3.1材料參數(shù)的定義橋式起重機(jī)主梁的材質(zhì)為角鋼、槽鋼和鋼板等，主要性能參數(shù)分別為：彈性模量E=2.1×103.2載荷組合工況作用在橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)上的外載荷可以分為固定載荷和移動載荷，其中固定載荷包括由主梁、軌道、走臺和欄桿等的質(zhì)量所產(chǎn)生的均布載荷；移動載荷由小車自重、起升機(jī)構(gòu)及起吊重物引起的以輪壓形式作用在主梁結(jié)構(gòu)上的載荷。載荷的確立考慮了不同載荷組合下的動載系數(shù)和沖擊系數(shù)，并確定起升沖擊系數(shù)K=1.1，起升載荷動載系數(shù)φ=1.2。按如下3種載荷組合工況對橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載。工況1：小車位于跨中C，滿載下降制動的同時(shí)小車啟動（或制動），以確定跨中危險(xiǎn)截面的最大彎曲應(yīng)力和最大撓度。工況2：小車位于跨端A，滿載下降制動的同時(shí)大車啟動（或制動），以確定主梁端部支撐截面上的最大剪應(yīng)力。工況3：小車位于跨端E，滿載下降制動的同時(shí)大車啟動（或制動），以確定主梁端部支撐截面上的最大剪應(yīng)力。各載荷的計(jì)算結(jié)果如表1所示。3.3載荷和步選擇有限元完成建模以后，進(jìn)行加載約束、定義分析類型、分析選項(xiàng)、載荷數(shù)據(jù)和載荷步選項(xiàng)，然后開始有限元求解。ANSYS后處理可生成結(jié)構(gòu)外形及有限元網(wǎng)格圖；變形后結(jié)構(gòu)外形及有限元網(wǎng)格圖；結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移等參數(shù)的等值線圖及彩色云圖。4橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)位移和各點(diǎn)豎直方向受的力利用ANSYS對主梁結(jié)構(gòu)的3種載荷組合工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、比較。即當(dāng)小車位于橋架跨端A點(diǎn)時(shí)，橋架各點(diǎn)變形的位移量、各點(diǎn)豎直方向所受的力；小車位于橋架跨中C點(diǎn)時(shí)，橋架各點(diǎn)變形的位移量、各點(diǎn)豎直方向受的力；小車在橋架右端B點(diǎn)時(shí)橋架各點(diǎn)變形的位移及各點(diǎn)豎直方向的受力。限于篇幅，這里只列出載荷組合工況1情況下橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力的顯示結(jié)果，如圖2、圖3所示。載荷組合工況2和3主要考慮的是當(dāng)滿載小車位于懸臂梁A端和E端的極限位置時(shí)，撓性支腿和剛性支腿支撐截面剪應(yīng)力。利用ANSYS后處理的列表顯示及排序功能，可得到最大剪應(yīng)力。以上3種載荷組合工況是橋式起重機(jī)在工作過程中橋架結(jié)構(gòu)所受到的最惡劣的承載狀況，對其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析如下。4.1各桿強(qiáng)度試驗(yàn)由載荷組合工況1、工況2和工況3的分析結(jié)果，上弦桿組合截面最大應(yīng)力為56.1MPa，下弦桿截面最大應(yīng)力為46.04MPa，許用應(yīng)力為170MPa，各桿的強(qiáng)度均滿足要求。4.2剛性分析由載荷組合工況1的分析結(jié)果，豎直方向最大位移為25.4mm，橋式起重機(jī)垂直撓度許用值為30mm，靜剛度滿足要求。5有限元分析結(jié)果分析和評價(jià)的建議在建立橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的三維有限元模型的基礎(chǔ)上，充分考慮了能代表起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)實(shí)際極限承載狀態(tài)的多種載荷組合，通過對橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的三維有限元分析，可以得到以下結(jié)論。(1)從橋式起重機(jī)橋架的有限元分析的結(jié)果可得出，該類型的橋架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足工作要求。(2)根據(jù)有限元分析結(jié)果的應(yīng)力和變形分布情況,可以得出最大應(yīng)力和變形出現(xiàn)的位置，與實(shí)際情況及已有的試驗(yàn)結(jié)果相符合，作為橋架結(jié)構(gòu)的薄弱部位在對橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力綜合評估時(shí)要作為檢測的重點(diǎn)。(3)與傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算方法相比，有限元方法所得到的結(jié)果略有偏大（誤差在5%左右），考慮到有限元模型建立時(shí)所作的一些必要的簡化和傳