一種QD250／50／10t－25.5型橋式起重機有限元分析

管志俊， 張青雷， 郭井寬

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海 200070）

QD250／50／10t－25.5型橋式起重機由上海起重運輸機械廠有限公司設(shè)計制造，該起重機在實際使用工況下的強度剛度是水電站安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。為此，應(yīng)用ANSYS10.0有限元軟件，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，對該型號橋式起重機主梁進行了5種工況的仿真分析研究，并結(jié)合張河灣水電站實測數(shù)據(jù)，為主梁安全可靠提供了依據(jù)。

1 起重機主梁的主要設(shè)計參數(shù)

起重機主梁分為運行側(cè)主梁和導(dǎo)電側(cè)主梁，主要由上、下蓋板，左右腹板等50幾種部件焊接而成［1］。運行側(cè)主梁和導(dǎo)電側(cè)主梁結(jié)構(gòu)基本相同，在建模和分析時，考慮運行側(cè)主梁的變形和受力。根據(jù)上海起重運輸機械廠有限公司提供的主梁圖紙，建立了主梁三維幾何模型如圖1所示。橋式起重機結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖3為橋式起重機的應(yīng)力點布置圖。

圖1 橋式起重機三維模型

圖2 橋式起重機結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 橋式起重機應(yīng)力點布置圖

起重機主鉤額定起重量：Q＝250t；跨度：L＝22.5m；結(jié)構(gòu)形式：雙梁單小車；材料：Q235－B。

2 起重機主梁有限元模型的建立

由于組成起重機箱形主梁的各構(gòu)件均滿足徑厚比大、動力激勵在低頻范圍內(nèi)、材料各向異性不嚴(yán)重這3個條件；因此，它屬于板殼結(jié)構(gòu)［2－4］。將實際結(jié)構(gòu)簡化為板或殼，既可以滿足精度，又可以節(jié)省機時和費用，所以建模時應(yīng)采用板殼單元。另外起重機主梁屬于小變形范圍，模型中單元越小，計算精度就越高。綜合上述情況，決定選用板殼單元181（SHELL181）建立有限元模型。根據(jù)鋼板厚度的不同，建立多種實常數(shù)，主梁材料彈性模量E＝2.1×10－11Pa，材料密度 γ＝7800kg／m3，泊松比μ＝0.3。

有限元分析模型網(wǎng)格劃分如圖4所示，節(jié)點總數(shù)：102412；單元總數(shù)：137569。根據(jù)不同的主梁結(jié)構(gòu)形式和邊界條件，實際分析時不同主梁分布方案的網(wǎng)格劃分模型略有不同。

圖4 主梁有限元分析網(wǎng)格模型

3 主梁約束及載荷工況

在分析單根主梁受力情況時，在支座處，梁端可以自由轉(zhuǎn)動，支座約束了梁端X和Y方向的兩個移動自由度。然而，據(jù)實際觀察結(jié)果，梁端車輪與軌道之間并非完全嚙合，輪軌間數(shù)厘米的寬度差使得整個梁結(jié)構(gòu)在承載時可沿X向一定范圍內(nèi)自由移動。考慮到梁的對稱性，可將模型進一步優(yōu)化為一端定鉸一端動鉸的簡支梁（如圖5所示），并在主梁端部施加對稱約束［5－6］。

圖5 主梁約束示意圖

主梁上的載荷分為：固定載荷、移動載荷、水平慣性載荷。在靜力學(xué)分析時，主梁及附件（扶梯欄桿、小車軌道等）自身質(zhì)量作為自重載荷處理，小車質(zhì)量作集中載荷處理。正確確定載荷是保證有限元分析結(jié)果如實反映工程結(jié)構(gòu)實際情況的前提。

移動載荷：包括小車位置dx；小車輪距BX，B1X；小車計算輪壓Pj1x；小車計算輪壓Pj2x；左極限e1，右極限e2。如圖6所示。

圖6 移動載荷示意圖

垂直固定載荷：包括單根主梁Gz（均布）；單根軌道Gg（均布）；單邊附件Gf（均布）；電氣自重Gd（中部均布）；電氣分布Ld；單側(cè)運行機構(gòu)自重Gy；單側(cè)運行機構(gòu)位置dy；操縱室自重Gc；操縱室位置dc。如圖7所示。

圖7 固定載荷示意圖

水平載荷：主梁自重的水平慣性力FH（均布）；小車滿載單根主梁的水平慣性力P1H；P2H（位置同移動載荷，小車位于跨中時）；水平載荷在本文的研究未進行考慮。

大型橋式起重機工作狀態(tài)下的受載情況比較復(fù)雜，不同工況下主梁所承受的載荷也不一樣；因此，需要分別進行考慮。結(jié)合起重機設(shè)計規(guī)范中主梁強度和壽命校核方法，以及在實際主梁運行過程中發(fā)現(xiàn)的問題，本文針對張河灣水電站起重機主梁分析了5種載荷工況，見表1。

表1 起重機主梁仿真分析方案

4 仿真結(jié)果分析

4.1 主梁運行狀態(tài)的應(yīng)力變形分析

主梁運行過程中，整體結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定的變形，需要根據(jù)產(chǎn)品的需求在仿真模擬的基礎(chǔ)上進行強度和壽命校核。從仿真結(jié)果可以看出，橋式起重機在運行狀態(tài)中，主梁將產(chǎn)生一定的應(yīng)力和下?lián)希捎谠谛∽冃畏秶鷥?nèi)，屬線彈性，隨著小車負(fù)載的增加，主梁應(yīng)力及變形呈線性分布，規(guī)律基本一致，由于小車位置的變化，主梁關(guān)鍵位置的應(yīng)力變形有所不同［7］，如圖8、9所示。

圖8 小車空載輪壓（dx＝12027mm）主梁變形場

圖9 小車滿載輪壓（e1＝995mm）主梁變形場

4.2 主梁的強度校核

根據(jù)材料力學(xué)的相關(guān)理論，由于該起重機鋼結(jié)構(gòu)以壓彎變形為主；因此，對單元的VON MISES等效應(yīng)力進行強度校核。此外，本模型的材料均為鋼材，屬彈塑性金屬材料，其拉伸與壓縮時的力學(xué)性質(zhì)相同，許用拉應(yīng)力與許用壓應(yīng)力相同；因此，在校核等效應(yīng)力時可以對拉應(yīng)力與壓應(yīng)力取絕對值統(tǒng)一處理，不必分開校核［8］。

本文分析的各工況等效應(yīng)力分布，模型中由于移動載荷處理成集中載荷，所以在軌道上會產(chǎn)生局部的應(yīng)力集中，區(qū)域內(nèi)VON MISES等效應(yīng)力可能出現(xiàn)不連續(xù)數(shù)值，需要在分析中處理。

本模型分析得出的結(jié)構(gòu)體VON MISES最大應(yīng)力出現(xiàn)在主梁滿載彎板位置，見表2工況5。

表2 主梁最大應(yīng)力及位置匯總表

主梁最大VON MISES應(yīng)力出現(xiàn)在滿載工況，應(yīng)力值為135.39MPa，主梁下游端彎板位置，其應(yīng)力值低于材料的設(shè)計許用應(yīng)力值（171.5MPa），整體結(jié)構(gòu)滿足強度要求，根據(jù)整體分析情況，結(jié)合強度理論，主梁有的地方應(yīng)力偏小，同類型主梁在設(shè)計階段有進一步優(yōu)化的空間。各標(biāo)定位置在滿載與空載工況應(yīng)力情況如表3所示（本處應(yīng)力數(shù)據(jù)取絕對值）。

表3 主梁各標(biāo)注點應(yīng)力情況匯總表 MPa

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，主梁運行過程中，端部彎板和蓋板中間為主梁應(yīng)力較大位置，需要在主梁設(shè)計中給予重視，在后期維護中進行監(jiān)測。

4.3 主梁剛度的校核

主梁的靜剛度是小車輪壓作用在主梁上產(chǎn)生的垂直和水平方向的位移，其最大值即最大撓度不超過許用值，由起重機設(shè)計理論得出垂直方向的靜剛度

式中，fv許用的靜剛度度值（mm），按下式確定

l為與小車軸距與跨度有關(guān)的數(shù)值（mm）：

在靜載工況下，主要研究主梁結(jié)構(gòu)的位移情況，進而進行剛度分析。為完成主梁剛度校核計算，需提取主梁在幾種工況中Y向的最大位移數(shù)值和位置，如表4所示。

表4 主梁Y向最大位移匯總

主梁最大位移出現(xiàn)在滿載工況，Y向位移值為17mm，主梁中間偏下游端位置（模型91486號節(jié)點），其變形值低于結(jié)構(gòu)的撓度許用值22.5mm，整體結(jié)構(gòu)滿足該起重機剛度使用要求。

4.4 仿真分析數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)的對比

起重機的仿真分析數(shù)據(jù)和實際測量應(yīng)力數(shù)據(jù)只有在相同或者十分近似的工況下獲得才有可比性。在該起重機整體結(jié)構(gòu)模型的靜態(tài)應(yīng)力分析中，有自重工況、靜載試驗工況、滿載工況、非工作工況等，模型分析滿載要有慣性載荷、風(fēng)載荷和大車走偏載荷等。在實際測量狀態(tài)不可能實現(xiàn)，實際測量的都是無風(fēng)或微風(fēng)下的情況，本項目實測方法沒有考慮重力影響，總應(yīng)力采用不同工況疊加辦法，各工況數(shù)據(jù)的對比就可以作為模型建立準(zhǔn)確性的評判依據(jù)。主梁關(guān)鍵位置應(yīng)力實測數(shù)據(jù)和仿真分析數(shù)據(jù)對比如表5所示。

表5 主梁關(guān)鍵位置應(yīng)力實測數(shù)據(jù)和仿真分析數(shù)據(jù)對比

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》，重級工作制和起重量Q＞50t的中級工作制吊車梁的腹板與上翼緣板之間以及吊車桁架上弦桿與節(jié)點板之間的T形接頭焊透的對接與角接組合焊縫，不應(yīng)低于二級，而角焊縫質(zhì)量等級一般為三級，主梁加工中，上下蓋板、主副腹板、端部彎板等總體結(jié)構(gòu)通常采用自動焊接，而內(nèi)部筋板、箍、電氣等部件的焊接通常采用人工作業(yè)，從表5中數(shù)據(jù)也可以看出，位于總體結(jié)構(gòu)上的標(biāo)定位置6、7、10、11、16、17、18、19、22、23能夠很好地與實測數(shù)據(jù)相吻合，而位于主梁內(nèi)部大筋板走道孔箍上的標(biāo)定位置則與實測數(shù)據(jù)存在一定差距，但分布趨勢仍保持一致，出現(xiàn)這一問題的原因是由于起重機主梁內(nèi)部焊縫要求相對于總體結(jié)構(gòu)較低，對大筋板上的應(yīng)力分布產(chǎn)生影響，而主梁有限元仿真分析采用的是理想模型，未考慮焊接和安裝工藝對結(jié)構(gòu)的影響。

4.5 有限元分析模型準(zhǔn)確性判斷

（1）主梁總體靜應(yīng)力結(jié)果

主梁靜應(yīng)力結(jié)果數(shù)據(jù)中，測試應(yīng)力與有限元（ANSYS）計算基本吻合。最大上偏差出現(xiàn)在14號點位置，見圖10。

圖10 實測應(yīng)力和仿真分析應(yīng)力值對比圖

（2）各結(jié)構(gòu)截面靜應(yīng)力結(jié)果

圖3中A－A截面：小車滿載工況時，主梁靜應(yīng)力數(shù)據(jù)中，測試應(yīng)力與有限元（ANSYS）計算基本吻合。點6、7、12、15位置受壓，點10、11、13、14位置受拉，點6、7、10、11實測數(shù)據(jù)與仿真分析數(shù)據(jù)比例系數(shù)在1.05以內(nèi)，而截面內(nèi)其余點應(yīng)力值仿真分析數(shù)據(jù)偏低，但分布性較好。

圖3中B－B截面：小車滿載工況時，主梁靜應(yīng)力數(shù)據(jù)中，測試應(yīng)力比較離散，應(yīng)力極值較大，在測試應(yīng)力與計算應(yīng)力中均表現(xiàn)出來，測試應(yīng)力大于仿真計算應(yīng)力。

圖3中C－C截面：小車滿載工況時，測試應(yīng)力與計算應(yīng)力整體吻合，但實測點19位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力極值。

（3）結(jié)果分析

由以上有限元模型分析數(shù)據(jù)和實際測量數(shù)據(jù)的對比，可以得出結(jié)論：本文建立的1901型號橋式起重機主梁整體結(jié)構(gòu)的有限元模型相對應(yīng)實際應(yīng)用起重機實測工況是準(zhǔn)確的；其分析結(jié)果是正確可靠的；該模型可以作為模擬該起重機主梁各種工況分析的基礎(chǔ)，從而進行各種力學(xué)特性的分析研究。

5 結(jié) 語

本文分析了主梁滿載、空載、重力等工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)典型靜力學(xué)公況，分析評價了主梁結(jié)構(gòu)件的強度與剛度，指出了分析中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了改進意見。通過對橋式起重機主梁有限元模型各載荷工況的計算分析，對比張河灣水電站工程起重機運行狀態(tài)的實測數(shù)據(jù)，有以下結(jié)果：

（1）在小車滿載輪壓，dx＝12027mm工況，主梁的最大撓度為17mm，約占總長度的0.75‰，滿足起重機的剛度設(shè)計要求。

（2）在小車滿載輪壓，e1＝995mm工況，主梁VON MISES等效應(yīng)力最大值即應(yīng)力值為135.39MPa，小于材料的屈服極限，滿足橋式起重機設(shè)計要求。

（3）同類型主梁結(jié)構(gòu)的端部彎板和上下蓋板、主副腹板的中間位置是需要在設(shè)計中重點考慮的，在蓋板、腹板、端部結(jié)構(gòu)的焊接與安裝中，需要采用質(zhì)量較高的工藝方法，防止加工后的主梁受力情況惡化，超出許用值，產(chǎn)生不合格產(chǎn)品。

（4）計算分析建立的橋式起重機主梁整體結(jié)構(gòu)的有限元模型相對實際起重機是準(zhǔn)確的；其分析結(jié)果是正確可靠的；該模型可以作為模擬該起重機主梁各種工況分析的基礎(chǔ)，從而進行各種力學(xué)特性的分析研究。

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