基于Pro/E三維建模的超大噸位吊具關重件的有限元分析優化

楊繼宏，陳志剛

（1.吉林電子信息職業技術學院，吉林 132021；2.三一重工科技有限公司，上海 201200）

0 引言

隨著我國經濟的高速增長與工業化的不斷推進，在國家主導的大型工程項目不斷立項，國內吊裝行業的自主化率也不斷提高，因此，對吊具的設計與開發提出了更高的要求，從小噸位吊具跨越式發展到超大噸位吊具，而我國在超大噸位吊具的開發方面起步較晚，國內還沒有專門的吊具設計與開發公司，本文旨在對超大噸位吊具的設計開發進行探索。

1 橫梁設計要求與三維模型建立

1.1 橫梁設計要求

本文所分析吊具整體結構采用常見的橫梁拉板托盤的結構，其中關重件是吊具橫梁，該吊具主要的設計指標包括：額定載荷3200t；單個部件的運輸重量不超過60t；單件尺寸滿足運輸要求，即：高度小于3.5m，寬度小于3m；結構件設計安全系數符合GB/T 3811 起重機設計規范；焊接結構要滿足工藝性要求。

1.2 橫梁三維模型建立

橫梁整體采用全焊接箱體結構，整體尺寸嚴格按照設計指標，橫梁部分與其他部件連接采用銷軸結構，三維造型采用Pro/E的TOP-DOWN設計，如圖1所示。

圖1 橫梁三維造型圖

2 有限元分析優化

2.1 結構受力分析

圖2 橫梁載荷分布圖

圖3 分析流程圖

根據吊具的使用工況和受力特點分析可知，橫梁受均衡載荷，如圖2中所示為橫梁載荷分布，總受載為3200t。通過應用Pro/E建模并將三維模型以中間x_t格式轉換為有限元實體模型,在ANSYS分析中，從2種工況對橫梁進行靜力學分析，分析對應工況下的應力值，根據分析結果對橫梁進行強度校核，并得到相應結論，通過有限元分析結果對原有設計進行改進優化。

2.2 有限元分析

2.2.1 工況分析

按照吊具的使用特點，一般情況下分為額定吊載和側向吊載，即對于受力關重件橫梁來說，等效工況也分為額載和側載，如圖4中所示。

圖4 橫梁載荷示意圖

2.2.2 劃分網格與載荷施加

對橫梁的Pro/E三維模型進行修整，省略小孔等應力幾何集中點，并將模型導出為中間格式x_t格式，將中間格式導入ANSYS中進行網格劃分，模型實體部分采用Solid185單元，有237653個節點，758426個單元。有限元的材料模型取為各向同性的線彈性模型，材料參數如下：

彈性模量E=2.1×1011N/m2，泊松比μ=0.3，密度 ρ=7.85×103kg/m3。

網格劃分結果圖5所示。

圖5 橫梁有限元網格模型及載荷施加圖

2.2.3 求解及后處理

圖6和圖7為有限元分析的應力云圖云圖，圖中的應力為von Mises等效應力，單位為Pa。云圖中暖色調（偏向于紅色）處為值較高的地方，最大值處有“MX”字樣；冷色調（偏向于藍色）處為值較低的地方，最小值處有“MN”字樣。

圖6 橫梁垂向載荷應力云圖

圖7 橫梁側向載荷應力云圖

根據對關重部件橫梁的工程分析可知,受側向載荷時的最大應力值為717MPa。分析結果顯示現行方案結構受力狀況不良，應力集中大。

3 優化設計

圖8 橫梁結構改進圖

圖9 優化后橫梁應力云圖

3.1 結構設計改進

將橫梁橫向連接立板改為圖示縱向連接立板，如圖8所示，并重新對橫梁進行有限元分析，分析結果如圖9所示，結構優化改進后最大應力幅值由原來的717MPa降到695MPa。

3.2 結構工藝優化

結構優化改進后，與吊鉤連接的兩塊立板由鑲嵌結構改為箱體外焊接結構，焊縫加長，焊接空間加大，較之原有方案，工藝性有極大提高。

4 結束語

1）本文通以吊具的關重件橫梁為例，應用Pro/E和ANSYS建立了整套設計優化的流程，可為超大噸位吊具的設計開發提供參考借鑒。

2）通過分析結果與優化可知，結構的改進不僅提高了部件的制造工藝性，也提高結構本身的強度。

[1]趙廣立.基于Pro/E三維建模的橋式起重機橋架有限元分析[J].起重運輸機械, 2011.

[2]徐格寧.機械裝備金屬結構設計[M].北京: 機械工業出版社, 2009.

[3]GB/T3811-2008.起重機設計規范.