蒋兆军， 曹冬美， 何雪明

（1.无锡职业技术学院，江苏 无锡 214122；2.江南大学 机械工程学院，江苏 无锡 214122）

桥式起重机在现代工业的生产和运输过程中为实现机械化、自动化起着非常重要的作用。它的出现大大减少了重物搬运、装载的困难，所以桥式起重机在室内、外的工矿企业、钢铁化工企业、铁路交通方面、港口码头装载物资方面以及物流周转等相关部门和场所都得到了非常广泛的运用。有限元法在产品设计中已经广泛采用，本文对传统的起重机进行三维实体建模，并建立整机的有限元模型利用UG／NX软件的CAE模块进行有限元分析。通过分析结果研究其在满载的情况下的受力分布情况、最大挠度和应力分布，从而发现其中存在的问题。针对发现的问题对起重机进行局部结构优化，最后再对优化后的起重机进行有限元分析，验证优化效果。

1 三维实体模型

根据现有的资料利用UG／NX软件建立起重机的各个零部件的实体模型。图1为完成的起重机的主动轮部件的模型，图2为从动轮部件，图3为起重机的端梁支撑架的装配模型，图4为起重机的整体装配图。

建立了现有起重机的整体三维模型，为进行三维有限元仿真分析做准备。

图1 起重机主动轮装配模型

图2 起重机从动轮装配模型

图3 起重机的端梁支撑架

图4 起重机整体模型

2 有限元模型

该起模型的起重机主梁跨度设计为14 000 mm，额定载质量设计为2t，在对主梁该进行有限元网格划分时考虑到主梁盖的厚度和长度比为1∶2 800，由于比例相差太大所以不能用三维四面体网格单元，因而先抽取主梁盖的中性面并且采用二维四边形单元进行划分。对其他零部件都可以采用三维四面体网格单元进行划分，整体网格划分结果如图5。

图5 网格划分

建立各个零件之间的关系，对于是焊接连接的各个零件采用曲面到曲面胶合连接，创建主梁盖和其他零件之间的连接关系时由于主梁盖是二维片体采用1D刚性连接模拟焊接关系。起重机的4个轮子是支撑点在静力状态下应施加固定约束，起重机的额定起质量为2t，考虑到变形最大的情况，因此在梁的中间施加2t的力，结果如图6。

图6 施加载荷和约束

对模型进行解算，得到分析结果，如图7为起重机的最大节点位移图，最大位移发生在主梁中间部位，位移值达到了19.94mm。查阅起重机的标准可知该值接近许用值的最大值，因此在实际生产中这样的挠度是比较危险的，这是传统设计方法无法预测到的，需要采用一定的方法进行改善。

图7 整体位移图

分析整机的应力分布情况，如图8为应力分布图，图9为应力分布放大图，由图可知最大节点应力为217.28MPa，也是非常接近钢的抗拉强度极限，最大节点应力发生在主梁工字钢与端梁连接的地方，主梁和端梁是焊接连接的，而工字钢的截面积相对比较小，这就造成了应力集中，导致此处的应力值偏大，由此可以知道这里的结构是不合理的，应该对它进行优化。

3 结构优化

根据以上的有限元分析发现的问题，提出一些优化改进的方案，在主梁工字钢上增加一块加强板，如图10为增加加强板的图。

图8 整体应力分布

图9 整体应力分布放大图

图10 增加了加强板

由于主梁工字钢的两端和端梁的连接的面积较小，存在较大的应力集中，因此考虑添加一个“L”型连接板，增加工字钢与端梁的焊接面积，达到降低主梁工字钢两端的应力。其改进前后的对比图如图12。

图12 增加“L”型板的前后对比图

4 结构验证

根据提出的优化方案再次进行有限元分析，其最大节点位移分析结果如图13所示。最大位移仍然发生在主梁工字钢的中间部位，这是符合实际情况的，最大值为14.15mm，对比优化前有了明显的降低，说明这样的结构优化是有实际效果的。

图13 优化后的位移分布

分析优化后的应力分布情况，结果如图14所示，最大节点应力为126.59MPa，但发生在端梁的车轮处，因为车轮处是支撑点是受力最大的地方，所以应力应该最大，由此可知主梁工字钢两端的应力集中已经消除，这样的优化方案是可取的。

图14 优化后的应力分布

5 结论

主要研究了传统方法设计的通用桥式起重机在满载情况下的受力变形情况和应力分布情况。分析找出其中存在的问题和不合理的结构，对起重机的结构进行优化，使得起重机在满载情况下的受力变形明显有所减小，应力分布情况得到有效改善。最后对优化后的起重机再次利用有限元分析以验证所采用方案的合理先进性，取得了一定社会效应和经济价值。

［1］拜尔尼茨基.通用桥式起重机［M］.北京：机械工业出版社，1958.

［2］沈春根，王贵成.UG NX 7.0有限元分析入门与实例精讲［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］天津起重设备有限公司、北京起重运输机械所.B／T 1306－2008电动单梁起重机［S］.北京：机械工业出版社，2008.

［4］陈焕星，赵星华.大型通用有限元结构分析程序系统HAJIF（X）［J］.航空计算技术，1998（1）：22－25.