一種造船門式起重機的主結構有限元分析方法

王彤曼 賈文華 張在梅 殷晨波

（1.三一重機 江蘇 昆山 215300；2.南京工程學院機械學院 江蘇 南京 211167；3.南京工業大學車輛與工程機械研究所 江蘇 南京 210009）

門式起重機（以下簡稱門機）是一個橋架形承載結構的起重機[1]，可用于搬運貨物、裝卸及安裝建筑構件等，尤其能在鐵路及港口貨場的裝卸中發揮重要作用。而門機在提高工作效率、節省人力的同時，也存在著巨大的安全隱患，尋求一種在能評估門式起重機安全運行的方法勢在必行[2，5]。振動不但可能會造成門機結構破壞，當所受激振力的頻率與結構的的某一固有頻率相接近時，會引起共振[3，4]，造成結構強度的破壞及產生不允許的大變形，破壞整機的性能。

1 門機有限元模型的建立

1.1 門機基本參數

雙梁式門機由主梁、柔性支腿、剛性支腿、大車、上小車、下小車、操縱室等構成，如圖1所示，選用的門機參數如下所述。

門機相關基本參數：主梁跨度48.124m，起升高度42m，上小車軌距6.33m，下小車軌距2.6m；上小車自重9.9t，最大起重量200t，起升速度5 m/min；下小車自重5.5t，主起升機構最大起重量150t，起升速度5 m/min，副起升機構起重量10t，起升速度12.2 m/min；大車運行速度：30m/min，大車軌距43米；門機主要材料為Q345B，楊氏模量為 2.06×1011，密度為7850kg/m3，泊松比為 0.3。

1.2 模型的單元組成

門機的剛性支腿、主梁結構是由薄板焊接成的箱體梁，柔性支腿是由鋼板焊接而成的圓管。為使原模型真實，計算模型單元選擇如下：門架結構選用空間板單元shell63，小車等附件在模型的相應節點處設置質單元。建立的有限元模型如圖2所示。

圖1 門式起重機結構示意圖Fig.1 The Sketch Map of The Gantry Crane

圖2 有限元模型Fig.2 The Finite Element Model

2 門機的結構靜力學分析

作用在門式起重機上的外載荷種類多，工況較復雜，計算分析時只考慮與門式起重機結構破壞形式有關的典型工況，就能確定結構強度與剛度是否滿足要求，從而進一步改進設計。根據該門機設計要求（兩小車同時工作時，最大抬吊重量300t，上下小車相距至少12米）考慮最危險的四種工況：①上小車位于主梁柔性支腿側，下小車距上小車12m；②上小車位于主梁跨中，下小車偏向柔性支腿處，距上小車12m；③上小車位于主梁剛性支腿側，下小車距上小車12m；④上小車位于主梁跨中，下小車偏向剛性支腿處，距上小車12m。

表1 門式起重機靜態有限元計算結果Tab.1 Static Calculation Results in ANSYS of Gantry Crane

按第Ⅱ類載荷組合進行結構強度計算[5]，對建立的有限元模型進行加載求解，利用Von Mises屈服準則評判結構應力值，各工況下最大應力值及最大位移如表1所示，應力云圖如圖3所示。

圖3 各工況應力云圖Fig.3 Cloud Picture of Stress

按第Ⅱ類載荷組合計算強度時的安全系數均取1.34，故結構的許用應力為從各危險工況來看，工況二的應力及位移最大，最大計算應力為147.64MPa，位移為33.142mm，結構強度還有較大的余量，結構設計是安全的。

通過觀察等效應力云圖可以看出，應力變化較平緩，主梁應力最大處為跨中上側，剛性支腿應力最大處位于支腿內側，柔性支腿應力最大處出現在與主梁相接處的內側，沒有出現應力集中的情況。因此，結構的設計是合理的。

起重機設計規范中規定垂直靜位移的設計準則為：yL≤[yL]。式中，[yL]為許用跨中垂直靜繞度；yL為跨中垂直靜繞度；L為跨度；[yL]=L/800。 該門式起重機 [yL]=48.124/800=0.0602m。計算UZmax=33.142mm，小于[yL]。門式起重機小車位于跨中時，靜態剛度滿足要求。

3 結論

介紹了造船門式起重機整機的有限元模型的建立、結構的合理性簡化、加載及求解過程，并在四種危險工況下對門機進行了靜力學分析，得出了靜態分析的等效應力及位移的云圖。在靜力學分析中，應力變化較平緩，主梁應力最大處為跨中上側，剛性支腿應力最大處位于支腿內側，柔性支腿應力最大處出現在與主梁相接處的內側，沒有出現應力集中的情況。通過與起重機設計規范相比較，該門式起重機的強度及靜剛度均滿足設計規范的要求。

［1］張偉強.門式起重機模塊化快速設計系統研究與實現[J].機械設計及制造,2010(3)：188-189.

［2］許海翔,李鳴.基于虛擬樣機的門式起重機安全分析[J].起重運輸機械,2010(7)：40-44.

［3］Jia-Jang Wu,M.P.Cartmell,A.R.Whittaker.Prediction of the vibration characteristics of a full-size structure from those of a scale model[J].Computers&Structures,2002(80)：1461-1472.

［4］陸念力,張宏生.有限元分析中鋼絲繩滑輪單元的等效構件法[J].建筑機械,2005(11)：89-91.

［5］Sun Z,Yang H.Development of a finite element simulation system forthe tube axialcompressive precision forming processed[J].International Journal of Machine Tools Manufacture,2002,28(7)：1205-1210.