基于有限元分析的起重机主梁优化设计

2012-02-21宁朝阳

装备制造技术 2012年11期

宁朝阳，徐娟

（湖南工业职业技术学院机械工程系，湖南长沙 410000）

对金属结构实施优化设计，已经成为现代机械设计中很重要的组成部分。与此同时，为了更好地安全评估结构优化后产品的安全性能，有限元分析技术在金属结构设计中，同样得到了广泛应用。由于起重机在许多工况条件下受力非常复杂，而采用传统的计算方法，往往很难得到准确的结果，设计人员出于对起重机安全考虑，在许多情况下，不得不加大其安全系数，致使在制造时浪费许多材料，并在一定程度上，增加了基建费用。因此，针对桥式起重机金属结构的优化设计研究显得尤为重要。

1 桥式起重机金属结构优化设计

1.1 优化设计受力模型

桥式起重机作为物料搬运机械，其主要由桥架金属结构、小车、大车运行机构、电气控制系统、润滑系统等部份组成。桥架金属结构承受着桥吊自重及外载荷。企业目前常见的电动桥吊桥架金属结构受载情况如图1所示，主梁截面如图2所示。

图1 桥式起重机桥架结构和受载简图

图2 主梁截面结构简图

1.2 目标函数

结合目前起重机自重偏大的特点，桥架金属结构优化设计以总质量为设计指标，主粱是桥架的核心，其总质量主要决定于截面结构尺寸。主粱主要由盖板、腹板和加劲板焊接而成。在优化设计中的设计变量由腹板高、左右腹板间距、盖板厚度、腹板厚度以及重量较大的加劲板厚度构成。通过设计计算得到桥式起重机优化设计的目标函数表达式：

1.3 约束条件

作为起重机骨架，桥架约束指标主要从强度、刚度、稳定性方面进行考虑，同时，满足起重机设计制造规范（包含制造工艺要求的边界条件）。典型约束条件包括：正应力约束，剪应力约束，静刚度，动刚度约束等，以正应力约束为例，其它约束公式此处略。

1.4 有限元分析

采用ALGOR作为有限元分析工具，通过对典型桥架金属结构进行多工况静力、动力分析，及时发现问题，并反馈给设计人员，为设计人员进行修改工作提供设计依据。以公司180/50T桥式起重机优化后的金属结构安全评估为例，其金属桥架结构简图如图3所示，主梁截面结构如图4所示。

图3 180t桥吊桥架结构简图

图4 偏轨主梁截面结构图

2 优化设计结果

根据该180/50T铸造吊金属结构的结构以及受力特点，在3D模型的基础上建立有限元模型，采用板元和体元，整个金属结构使用427 270个节点，网格划分数量为323 780。边界条件中载荷分析考虑金属结构的自重载荷、小车的自重载荷和起升载荷等，惯性载荷分布比例为0.355。对大车运行车轮与轨道实施约束，采取主动轮一侧刚性固定，从动轮一侧采取铰接处理的方式，最终得到图5所示的有限元分析模型。通过有限元分析计算，得到刚度及应力情况：主梁最大应力为215 Mpa，端梁最大应力为57 Mpa，主梁最大变形为27 mm，如图6所示；动刚度计算，一阶频率6.26 Hz，二阶频率6.65 Hz，三阶频率6.87 Hz，四阶频率6.89 Hz，其一阶频率模态如图7所示。对照起重机设计标准手册，该桥架的强度、静刚度和动刚度均满足要求。