基于ansys桥式起重机主梁的有限元分析

-1-基于ansys桥式起重机主梁的有限元分析1．引言起重运输设备主要从事搬运、转载、储存作业(TUL)的机械，桥式起重机是属起重运输机械之一，主梁是各式桥式起重机中最主要的部件之一，它承受着垂直方向的载荷（小车自重或起吊重物、主梁本身的自重和机械、电气设备的质量）和水平方向的载荷（当起重机或小车起动和制动时产生的惯性力）。所以它应该有足够的垂直和水平方向的强度、刚度和稳定性，并有良好的抗疲劳性能和足够的疲劳强度。主梁的高度根据起重量和跨度决定。株洲天桥起重机股份有限公司首次开发和制造200t的桥式起重机，对其主要承载结构件需进行严格的强度计算和刚度校核，下面采用先进的有限元理论计算方法和通用性大型ansys有限软件对其主梁进行计算分析。2．主梁的有限元模型的建立2.1实体模型的建立考虑到此主梁结构异常复杂，零部件多，计算量很大，因此在建模过程中进行了一定的简化处理，略去和简化了一些对计算结果影响不大的零件，如：螺栓孔、倒角等。将各零件的有限元模型建立起来，再加上边界约束条件，建立实体的有限元模型。本文采用三维软件solidworks建模，采用parasolid文件实体导入ansys，做前处理、分析计算和后处理等一系列工作，主梁的三维实体模型如图1所示，图2为主梁三维实体部分剖面图。图1主梁三维实体模型图图2主梁三维实体局部剖面图主梁的主要技术参数有，上下盖板为16mm，主腹板为12mm，副腹板为10mm，中部梁高均为2200mm，端部梁高1050mm，主梁宽度为1800mm,总跨度为22m。2.2有限元模型的建立2.2.1定义材料属性实体建模完成后，用ansys有限元软件导入模型。在计算时认为各焊接件本身无缺陷，焊接牢固，无虚焊、漏焊、松脱现象，焊接后残余应力较小，不足以影响分析结果。静态分析的总体平衡方程0PK定义为线性方程，因此分析类型选择线性，网格类型采用的是实体网格solid45，并采用自由网格进行离散化。各部件的材料均为Q345B-2-钢，故输入该材料的参数，其弹性模量EX=2.06×1011N/m2，泊松比NUXY=0.28，密度DENS=7850Kg/m3，屈服强度SIGYLD=325MPa，根据起重机设计规范可知Q345的许用应力为230MPa。2.2.2工况、约束和载荷主梁为偏轨梁，由于仅分析主梁的强度及下挠刚度的问题，因此只考虑小车架的轮压和主梁本身的重力的载荷作用，调整重力加速度来使模型主梁的重量和实际重量等效，由于轨道和主梁上盖板是装配关系，其间存在间隙和摩擦移动，为了让问题分析更准确，将小车轮压载荷直接施加在主梁的小盖板对应位置上，主要分析其两种特殊工况：工况一，当小车在主梁的极限位置时，小车的轮压分别为396.5KN和368.1KN；自重考虑动载系数、栏杆、轨道、司机室、电气室及省略的一些小特征的质量等，并考虑大车运行动载系数，取2.1，因此得出重力加速度为12N/m2。约束施加的制约两端为支撑，其作用端可以自由转动和沿主梁方向移动，但不能上下和端梁轴线移动，另由于主梁为偏轨梁，端梁对其有支撑作用，因此在部分端梁处施加端梁轴线的约束，使其不能沿端梁轴线移动。工况二，当小车在主梁跨中的位置，小车的轮压和主梁约束和工况一相同。2.2.3网格控制采用网格尺寸为0.08m，并对应力最大的位置进行网格细化，离散后，单元总数为383779；有限元模型主梁的网格如图3所示。图3主梁的网格图3有限元结果分析3.1工况一结果分析主梁计算完后，可以输出各点的应力、位移值等图解结果。计算结果中均采用国标单位制（SI），即应力单位为Pa(即N/m2)，位移单位为m。其中输出应力为VonMises应力，该应力是按第四强度理论计算的第四相当应力，图4是主梁整体合应力云谱图。-3-图4主梁整体合应力云谱图工况一结论分析，主梁端部剪应力58.8MPa左右，而经过理论计算端部最大剪应力为36MPa，由于端部施加约束和载荷的原因，造成端部受力稍偏大，但在允许的范围之内，因此此研究分析是可靠的。通过整体分析，主梁最大的应力在211MPa左右，而主梁使用的材料Q345的屈服强度的345MPa，材料的基本许用应力233MPa（根据起重机设计规范（GB/T3811-2008）,强度安全系数取n=1.48），因此可以满足我们的使用强度要求，最大应力集中在极限轮压下方的腹板处；由于小车位移极限位置处，因此刚度要求相对较低，合位移仅有5.2mm。2.3.2工况二分析结果计算结果中均采用国标单位制（SI），即应力单位为Pa(即N/m2)，位移单位为mm。其中输出应力为VonMises应力，该应力是按第四强度理论计算的第四相当应力，图8是主梁整体应力云谱图，图9为主梁跨中下盖板处应力云普图，图10为主梁合位移云普图，图11为主梁垂直下挠度云谱图和图12是主梁水平偏侧翻挠度云谱图图8主梁整体应力云谱图结论分析，工况二最大应力为219MPa，位移端部隔板处，由于此处为加载部分，根据有限元分析理论，此处实际所受应力应该小于计算应力。主梁的合位移为13mm，主梁的跨度为22m，因此小于起重机设计规范（GB/T3811-2008）所要求的f/1000。主梁水平侧翻挠度为3.2mm，小于f/2000=11mm。2.4主梁分析结论经过有限元理论研究分析计算，工况一和二均能满足使用的强度和刚度要求。