基于ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ和ＡＮＳＹＳ的大型全回轉架梁起重機結構強度分析

時公賀　梁　崗

摘 要：為合理設計某大型全回轉架梁大起重力矩起重機的金屬結構，利用SolidWorks對其整機各個部分進行三維建模并導入ANSYS軟件中，對其整機結構進行有限元分析. 該方法充分利用SolidWorks快速準確建模的特長，很好地解決ANSYS建模能力不足的問題，不僅有效提高建模速度和模型質量，而且簡化分析工作，提高模型準確性. 根據計算結果調整設計方案，合理布局整機結構，通過采用高強度材料減輕整機重量，使其滿足工程實際要求，提升總體設計水平. 該方法可較快獲取大型全回轉架梁起重機整體結構設計的最優化方案，縮短設計周期，完成較為完整的起重機整體結構分析，對工程機械的設計具有較好借鑒作用.

關鍵詞：全回轉架梁起重機；結構強度分析；SolidWorks；ANSYS

中圖分類號：U663.921；O346；O241.82

文獻標志碼：A

Structural strength analysis on large full-circle slewing beam crane based on SolidWorks and ANSYS

SHI Gonghe1，2，LIANG Gang1

(1. College of Logistics Eng.，Shanghai Maritime Univ.，Shanghai 200135，China；

2. Shanghai Baosteel Industry Inspection Corp.，Shanghai 201900，China)

Abstract：To design the steel structure of a full-circle slewing crane with large load moment rationally，3D model of each part of the whole structure is built for a crane by SolidWorks and introduced into ANSYS，and then the finite element analysis is done for its whole structure. In the method，the advantage of fast accurate modeling of SolidWorks is fully taken；the problems of lacking modeling ability in ANSYS are solved；not only are the modeling speed and quality improved effectively，but also the analytical work is simplified. According to the computation result，the design proposal is adjusted，the whole structure is arranged rationally，and the high strength materials are selected to reduce the whole weight. So it is designed to meet the actual project requirements and the whole design level is enhanced. The method can obtain an optimal proposal for the structure design of full-circle slewing beam crane，shorten the design cycle，achieve comparatively complete whole structure analysis，and provide a good reference value for the structure design of engineering machines.

Key words：full-circle slewing beam crane；structural strength analysis；SolidWorks；ANSYS

0 引 言

隨著目前國內架橋技術的發展，大型橋梁結構件的吊裝重量越來越大，對大型全回轉架梁起重設備金屬結構的承載能力也提出更高的要求，使用有限元法對起重機設備進行分析計算在國內逐漸普及.文獻[1-4]應用ANSYS分別對1 300 t浮式起重機、龍門起重機、塔帶機和龍門架起重機等進行有限元分析；文獻[5]對輪胎式集裝箱龍門起重機金屬結構穩定性及疲勞進行理論和程序上的研究.本文所設計的全回轉架梁起重機屬于國內大起重力矩的單臂架全回轉式安裝起重機，其起重力矩可達到1 600 t·m.在設計過程中，按照該起重機的實際工作狀況，根據GB 3811—1983《起重機設計規范》(以下簡稱《規范》)[6]要求，使用ANSYS進行求解，并及時將計算結果反饋用于指導設計，驗證其設計思路的可行性，并為設計改進提供有效方案.

1 有限元模型建立

1.1 系統描述

全回轉架梁起重機整機三維效果見圖1，主要技術參數見表1.

圖 1 整機三維效果

起重機的工作原理為：進入作業狀態后，上部結構可通過旋轉驅動裝置實現360°全回轉進行吊裝作業，下部結構與橋面軌道錨固為一體；當進入非作業狀態時，整機通過油缸驅動滑靴在軌道上滑動完成縱移，使其到達下一錨固節點，錨固完畢后，整機進入工作狀態.該起重機的金屬結構件可以分成上下兩部分結構，上部結構包括臂架、轉臺、人字架、拉桿、主起升、副起升及變幅驅動裝置以及配重等，下部結構包括支座、支腿及行走滑動裝置等.

1.2 整機模型建立

應用ANSYS進行有限元分析，建模過程中會耗費很多時間與精力.雖然ANSYS帶有自建模功能，但是功能非常有限，只能處理一些相對簡單的模型，而處理越來越復雜的模型就顯得遠遠不夠.SolidWorks等CAD造型軟件擁有強大的參數化設計能力，可以進行復雜的實體造型.ANSYS是1種大型通用有限元分析軟件，其長處在于有限元分析；而CAD軟件的優勢在于三維設計造型.因此，將SolidWorks軟件與ANSYS結合使用，充分利用SolidWorks軟件快速準確建模的特長，可很好地解決ANSYS建模能力的不足、有效提高建模速度和模型質量、簡化分析工作、提高模型的準確性.

在對該起重機建立幾何模型過程中，首先將整機的各個部分如轉臺、支座和支腿等分別在SolidWorks中建模，并相應保存為Parasolid類型文件；然后在ANSYS軟件中導入其SolidWorks模型.在此模型轉換過程中，必須進行相應的ANSYS布爾運算，只有布爾運算操作成功后方可進行下一步操作.同時，在整個建模過程中必須注意各個部分的建模應按照組合后各個部分在整體坐標系下的坐標位置進行，然后再作相應疊加，從而完成整機模型建立(見圖2)，局部實體結構模型見圖3.

圖 2 整機模型

圖 3 局部實體結構模型

為避免組合后整機定義屬性及剖分網格等使問題復雜化，先對各個模型分別定義屬性及剖分網格，再進行疊加.疊加時，分別使用CDWRITE命令(Menu Paths：Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Write )，新建1個ANSYS工作文件保存為cdb文件，再依次使用CDREAD命令讀入先前寫好的實體模型文件(Menu Paths：Main Menu>Preprocessor>Archive Model>Read ).在此應注意，如果先后讀入的2個部分發生重疊，可能是后讀入的部分覆蓋先前讀入的部分.

1.3 單元選擇

盡管ANSYS提供約200種單元模型，但因全回轉架梁起重機主要由管桁架和箱形板等結構組成，故使用三維梁單元、桿單元和板殼單元構建有限元模型，并對該起重機實體模型進行必要的簡化.

針對該模型中各個不同的部件，采取多個單元模型耦合來模擬整機結構.其中，臂架系統的主副弦管和人字架采用BEAM189單元；臂架系統各連接板、轉臺、支座、支腿采用SHELL93單元；拉桿，主起升、副起升及變幅鋼絲繩采用LINK10單元；配重，主起升、副起升及變幅電機，旋轉大軸承以及各剛性區域連接點均采用MASS21質量單元.同時，根據實際鋼結構情況及計算需要，對設計結構模型進行單元剖分后共得到7 925個BEAM189梁單元，66 237個SHELL93板殼單元數，7個LINK10單元，35個MASS21質量單元.

1.3 材料的性能參數

由于全回轉架梁起重機以橋梁結構為支承基礎，因此對整機重量有嚴格限制.在確保整機強度滿足設計要求的同時，為盡可能減少整機重量，采用高強度材料.其中，臂架系統主弦管采用起重機臂架專用無縫高強度鋼管HSM770，轉臺及支座支腿等局部應力大的地方采用高強度板材HG70，其余大部分采用材料Q345A等.具體參數見表2.

2 施加約束和載荷

2.1 定義約束

將整機的約束部位定為滑靴部位.由于模型中4條支腿底端橫向支反力較大，因此模型中在工作狀態基距一側2條支腿底部MASS21點只釋放x軸方向的旋轉自由度，另一側只約束y方向和z軸旋轉自由度，釋放兩側其余自由度[7].

2.2 施加載荷

根據《規范》要求，至少計算2類工況.工況1：第Ⅱ類載荷組合，工作狀態，惡劣條件；工況2：第Ⅲ類載荷組合，非工作狀態，惡劣條件.其中，結構自重載荷P_G，起升載荷P_Q，水平載荷(回轉慣性、變幅慣性)，風載荷(P_W=A_pC)以及起升沖擊因數φ₁，起升動載因數φ₂和水平動載因數Ф₅等均按《規范》要求加載.φ₁=1.1；φ₂=1+0.17 υ m/s=1+0.17×(5/60)=1.014 2；旋轉啟動因數φ旋=1.5；旋轉角速度ω=0.5 r/min=0.5×2π/60 rad/s=0.052 3 rad/s.

整機結構的自重由ANSYS系統自動給出，但忽略簡化部分筋板以及梯子平臺等的重量，需要根據圖紙中的結構重量按比例給定自重載荷因子，使其整機結構的自重不大于188 t，滿足設計要求；同時將旋轉大軸承，主起升、副起升及變幅電機，減速機，滑輪，配重，梯子平臺，電器柜等結構或機構自重以質量單元MASS21形式施加到相應位置.

2.3 工 況

該起重機的上部結構按照載荷組合劃分為3種工況：旋轉+起升+x方向風載，旋轉+起升+z方向風載及變幅+起升+x方向風載；同時又將起重機在全回轉過程的旋轉位置劃分成上部結構旋轉到0°(兩前支腿中間)，73°(一前支腿)，90°(支腿和前支腿中間)，140°(一后支腿)以及180°(兩后支腿中間)5種工況.因此，根據載荷組合與作業旋轉位置相結合，總共劃分為15種工況，分別為：0°旋轉+起升+x方向風載，0°旋轉+起升+z方向風載，0°變幅+起升+x方向風載；73°旋轉+起升+x方向風載，73°旋轉+起升+z方向風載，73°變幅+起升+x方向風載；90°旋轉+起升+x方向風載，90°旋轉+起升+z方向風載，90°變幅+起升+x方向風載；140°旋轉+起升+x方向風載，140°旋轉+起升+z方向風載，140°變幅+起升+x方向風載；180°旋轉+起升+x方向風載，180°旋轉+起升+z方向風載，180°變幅+起升+x方向風載.

2.4 耦合方程的使用

在整機結構分析計算中，大量采用MASS21質量單元模擬電機、減速箱、鋼絲繩卷筒、配重和旋轉大軸承等相關重量，使用剛性區域(CERIG命令GUI：Main Menu>Preprocessor>Coupling / Ceqn>Rigid Region)連接，其中1主節點為MASS21質量單元，從節點區域為該質量單元所在的面上節點，這樣可近似模擬質量單元對周圍區域的影響.針對臂架與轉臺、人字架與轉臺以及人字架等多處銷軸鉸接部位，還采用約束方程的方法對鉸孔圓周節點的部分自由度進行約束，釋放鉸接件在鉸點處關于z軸的旋轉自由度，使得部件間相對于鉸接點可以自由旋轉，同時協調鉸接兩部件的其他位移(包括平移和轉角位移)，實現各部件相關部位的位移耦合.

3 結果分析及建議

初始設計為結構模型的建立提供數據參照，計算結果用于找出設計的薄弱環節并進行改進和加強.通過整機結構有限元分析，發現其上部結構的旋轉軸承中心點不平衡力矩達到1 300 t·m，為整機結構設計過程中最困難的問題，因為其不平衡力矩嚴重影響轉臺的受力情況，并影響到旋轉大軸承的安全使用壽命以及整機的穩定性等諸多問題.因此，對轉臺進行改進，通過調整結構進行合理加強，以滿足設計要求.圖4和5分別為改進前后應力云圖；圖6～10分別為5個旋轉位置的應力云圖.

圖 4 轉臺結構改進前

圖 5 轉臺結構改進后

圖 6 上部結構旋轉到0°(2條前支腿中間)

圖 7 上部結構旋轉到73°(1條前支腿)

圖 8 上部結構旋轉到90°(前后支腿中間)

圖 9 上部結構旋轉到140°(1條后支腿)

圖 10 上部結構旋轉到180°(2條后支腿中間)

在計算起重機風載荷時，起重機結構上總的風載荷為各組成部分風載荷的總和，應考慮風對起重機沿著最不利方向作用的風壓因素.因此，在計算過程中，考慮風分別沿x和z垂直方向，按設計要求工作最大風壓為300 N/m²計算.計算結果應力云圖分別見圖11和12.

圖 11 x方向工作狀態下垂直風載荷

圖 12 z方向工作狀態下垂直風載荷

上部結構作業過程中3種工況下的應力最大部位和數值見表3.下部結構作業過程中15種工況下的應力最大部位和數值見表4.

在設計過程中，忽略臂架底部主弦管與底板連接部位以及剛性區域從節點處的應力奇異所引起的不符合實際的應力值.在典型工況中的應力最大值為304.06 MPa.因為實際結構材料為HG70，根據《規范》，載荷組合Ⅱ和Ⅲ下的安全因數分別取1.33和1.15，則相應的許用應力分別為375.9 MPa和434.7 MPa，因此所設計的金屬結構強度滿足規范要求.

鑒于上述計算結果提出以下建議：

(1)高強度材料的使用使焊接要求更加嚴格，其焊縫的存在易造成材質和力學性能的不均勻，會降低連接處的強度，因此要求對高強度材料進行預熱、保溫、去氫，使用正確焊條型號和焊接時間等符合高強度材料的焊接要求.

(2)通過分析可知其上部結構的旋轉軸承不平衡力矩比較大，為盡量減少不平衡力矩，建議轉臺上簡化的部件如電器柜等應放置在配重位置.

(3)通過分析可知其下部結構支腿的側向支反力比較大，應著重加強軌道梁并解決錨固部位孔的應力集中等問題.[8]

4 結束語

根據經驗，設計大起重力矩的全回轉架梁起重機金屬構件是個集設計、建模、分析和優化的復雜過程.在整體建模結構分析過程中，通過SolidWorks建模和ANSYS分析的有效結合，可較快獲取架梁起重機整體結構設計的最優化方案，大大縮短設計周期，成功實現較為完整的起重機整體結構分析方法，對工程機械設計具有較好的借鑒作用.

參考文獻：

[1] 沈瑩，王悅民. 1 300 t浮式起重機金屬結構有限元分析[J]. 起重運輸機械，2005(4)：7-10.

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[6] 起重機設計手冊編寫組. 起重機設計手冊[K]. 北京：機械工業出版社，1998.

[7] 李志建，劉晉川. 基于MSC Nastran/Patran的裝船機金屬結構有限元分析[J]. 計算機輔助工程，2007，16(4)：7-10.

[8] 潘鐘林，譯.歐洲起重機械設計規范[S]//上海振華港口機械公司譯叢. 1998.

(編輯 廖粵新)