基于有限元分析的起重機(jī)主梁優(yōu)化設(shè)計(jì)

寧朝陽，徐 娟

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，湖南 長沙 410000）

對金屬結(jié)構(gòu)實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中很重要的組成部分。與此同時(shí)，為了更好地安全評估結(jié)構(gòu)優(yōu)化后產(chǎn)品的安全性能，有限元分析技術(shù)在金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，同樣得到了廣泛應(yīng)用。由于起重機(jī)在許多工況條件下受力非常復(fù)雜，而采用傳統(tǒng)的計(jì)算方法，往往很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果，設(shè)計(jì)人員出于對起重機(jī)安全考慮，在許多情況下，不得不加大其安全系數(shù)，致使在制造時(shí)浪費(fèi)許多材料，并在一定程度上，增加了基建費(fèi)用。因此，針對橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究顯得尤為重要。

1 橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)受力模型

橋式起重機(jī)作為物料搬運(yùn)機(jī)械，其主要由橋架金屬結(jié)構(gòu)、小車、大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等部份組成。橋架金屬結(jié)構(gòu)承受著橋吊自重及外載荷。企業(yè)目前常見的電動(dòng)橋吊橋架金屬結(jié)構(gòu)受載情況如圖1所示，主梁截面如圖2所示。

圖1 橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)和受載簡圖

圖2 主梁截面結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 目標(biāo)函數(shù)

結(jié)合目前起重機(jī)自重偏大的特點(diǎn)，橋架金屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以總質(zhì)量為設(shè)計(jì)指標(biāo)，主粱是橋架的核心，其總質(zhì)量主要決定于截面結(jié)構(gòu)尺寸。主粱主要由蓋板、腹板和加勁板焊接而成。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)變量由腹板高、左右腹板間距、蓋板厚度、腹板厚度以及重量較大的加勁板厚度構(gòu)成。通過設(shè)計(jì)計(jì)算得到橋式起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

1.3 約束條件

作為起重機(jī)骨架，橋架約束指標(biāo)主要從強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性方面進(jìn)行考慮，同時(shí)，滿足起重機(jī)設(shè)計(jì)制造規(guī)范（包含制造工藝要求的邊界條件）。典型約束條件包括：正應(yīng)力約束，剪應(yīng)力約束，靜剛度，動(dòng)剛度約束等，以正應(yīng)力約束為例，其它約束公式此處略。

1.4 有限元分析

采用ALGOR作為有限元分析工具，通過對典型橋架金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行多工況靜力、動(dòng)力分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并反饋給設(shè)計(jì)人員，為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行修改工作提供設(shè)計(jì)依據(jù)。以公司180/50T橋式起重機(jī)優(yōu)化后的金屬結(jié)構(gòu)安全評估為例，其金屬橋架結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，主梁截面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 180t橋吊橋架結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 偏軌主梁截面結(jié)構(gòu)圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)該180/50T鑄造吊金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)以及受力特點(diǎn)，在3D模型的基礎(chǔ)上建立有限元模型，采用板元和體元，整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)使用427 270個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為323 780。邊界條件中載荷分析考慮金屬結(jié)構(gòu)的自重載荷、小車的自重載荷和起升載荷等，慣性載荷分布比例為0.355。對大車運(yùn)行車輪與軌道實(shí)施約束，采取主動(dòng)輪一側(cè)剛性固定，從動(dòng)輪一側(cè)采取鉸接處理的方式，最終得到圖5所示的有限元分析模型。通過有限元分析計(jì)算，得到剛度及應(yīng)力情況：主梁最大應(yīng)力為215 Mpa，端梁最大應(yīng)力為57 Mpa，主梁最大變形為27 mm，如圖6所示；動(dòng)剛度計(jì)算，一階頻率6.26 Hz，二階頻率6.65 Hz，三階頻率6.87 Hz，四階頻率6.89 Hz，其一階頻率模態(tài)如圖7所示。對照起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)手冊，該橋架的強(qiáng)度、靜剛度和動(dòng)剛度均滿足要求。

圖5 有限元分析模型

圖6 橋架應(yīng)力分布

圖7 一階頻率模態(tài)圖

3 結(jié)束語

通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠鹬貦C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)性研究，一個(gè)更加合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序形成了。采用經(jīng)過驗(yàn)證后的程序來優(yōu)化橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)，在滿足其性能要求的情況下，起重機(jī)性價(jià)比得到較大提升，金屬結(jié)構(gòu)自重減輕了15%，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。

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