双梁门式起重机结构静力与模态分析

2015-11-30董俊言孙利民郑州大学力学与工程科学学院河南郑州450001

江西建材 2015年16期

■董俊言，孙利民 ■郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州 450001

门式起重机广泛应用与港口、工地等地，用于对重物的装卸工作，随着国家的不断发展，载重量的增加，现场对起重机的强度和刚度要求都在提高。通过借鉴国外经验，潜心钻研，自主创新，起重机的设计和制造技术得到了迅速发展。本论文以某双梁门式起重机的设计图纸为原型，运用理论计算和大型工程结构分析软件对起重机进行静动态力学性能分析，为其优化设计提供一些基础。

1 双梁门式起重机建模

1.1 双梁门式起重机的建模

双梁门式起重机起重机的主要结构如图1 所示

图1 MG 50-27 A6 双梁门式起重机

1.1.1 模型的简化

由于双梁门式起重机结构复杂，细节内容过多，无法将其全部考虑进去，因此需要对起重机的模型进行了以下几个方面的简化:(1)主梁为箱型梁结构，我们以板单元建立其结构模型，将连接处简化，使梁结构直接粘贴在一起，不再画细节的加固装置。(2)小车自重及起升重量都靠四个车轮传递到主梁上，模型中省略小车模型，直接以力的形式加载在梁上。(3)箱型梁内部的加强筋若全部画上，会增加许多节点和计算量，故省略部分加强筋，只在主梁中部和主梁与支腿连接处添加。

1.1.2 单元类型和材料性质

对于梁结构，采用了Shell 181 单元。它是4 节点单元，每个节点具有6 个自由度:x，y，z 方向的位移和绕X，Y，Z 轴的转动。在ANSYS 14.0 中只需要在软件中设置界面厚度即可。

主梁上的轨道，选用Beam 188 单元，此单元适用于分析细长的梁，它是一个2 节点的三维线性梁，每个节点上有6 或7 个自由度。此元素能很好的应用于线性分析，大偏转，大应力的非线性分析。

1.2 建立有限元模型

此双梁门式起重机关于X 轴、Y 轴均对称，画出其四分之一的模型再镜像操作即可。模型中有多处相互垂直的平面，且没有公共边，无法使用布尔操作进行粘贴，所以在模型画完后，需使用工作平面对模型进行切割，使其在划分网格后，网格连续，有公共节点。

主梁上、下、左三面为厚度10mm 的板，右侧为厚度6mm 的板;支腿均为厚度10mm 板;连接主梁之间的梁，其上侧为厚12mm 板，下侧为厚10mm 板，两侧为厚6mm 板;连接两支腿之间的梁，其上、下均为厚10mm 板，两侧为厚6mm 板。

将此模型关于XOY 平面对称，然后移动坐标系至106 号关键点，建立局部坐标系11，再将模型关于11 号坐标系的YOZ 平面对称，得到完整的双梁门式起重机模型。共计12212 个节点，12556 个单元。

2 起重机静力学分析

2.1 施加载荷及求解

(1)施加约束

本论文分析的对象是箱型梁，为了增加结果的准确度，在建模的过程中，对整个起重机都进行了建模，包括支腿和连接梁部分，施加约束时对一侧支腿底部设置固定角支座约束，另一侧限制铅垂方向约束。

(2)施加集中载荷

起升载荷P=50 吨;小车自重Q∶21 吨;大车自重:75.75 吨;动载系数φ=1.2。

(P×g×φ+Q×g)÷4=(50×103×10×1.2+21×103×10)÷4=2.025×105N(1)

在同一根主梁上，小车的轮距为5.216 米，故在轨道跨中相距5.216 米的FY 方向施加-202500N 的力。

(3)施加重力

密度在定义材料性能时已经设置过，在铅垂方向上施加重力加速度后，起重机的质量就有了。

(4)进行求解

2.2 分析结果

当小车行至两支腿中间时，梁是最危险的，具有小车在整个梁上行走时的最大挠度，此时的位移及应力分析结果如图所示:

图2 铅垂方向位移云图

图3 主应力云图

由图2 可以看出主梁的最大挠度出现在跨中部分，形变方向向下，最大挠度为20.03mm，小于《起重机设计规范》［1］所允许的最大挠度33.75mm。由图3 的应力云图可以看出最大应力值为108MPa，发生于支腿和支腿间连接的梁的连接点处，小于前面章节中求出的许用应力175.37MPa。所以当前情况下，此设计可以满足静态刚度和强度要求。

3 结构的模态分析

模态分析，也叫特征值的提取，是机械结构的固有振动特性，每一个模态都具有固定的固有频率、阻尼比和模态振型。本文将通过计算模态分析方法分析起重机的结构。因为此起重机结构大，振动频率低，在其动力响应中，主要是低阶模态，高阶模态对结构响应的影响很小，阶数越高，贡献越小，而且，因阻尼作用，高阶部分在响应中也衰减的很快，所以高阶模态忽略不计［2］。