門式起重機主梁截面的比較與ANSYS分析

郁建華，孟慶國

（1.常州市建工起重機有限公司，江蘇 常州 213101；2.江蘇華澄重工有限公司，江蘇 江陰 214521）

門式起重機具有適應面廣、作業范圍大、通用性強等特點，在各種制造企業及物流企業得到廣泛使用。其主要用于室外貨物的裝卸作業。其中，雙梁門式起重機因承載能力強，跨度大、整體穩定性好而深受用戶歡迎。目前雙梁門式起重機主梁一般多采用鋼板焊接的箱形結構，雙梁門式起重機主梁具有安全性高、剛度大等特點，但箱梁同時也具有自身質量重、造價高等劣勢。

根據小車軌道在主梁截面的位置，門式起重機主梁又可分為正軌梁、偏軌梁及半偏軌梁。本文以一臺MG200t35m半偏軌雙梁門式起重機為例，通過改變主梁截面加勁板和隔板的位置，分析不同截面布置形式下的等效應力，并以此進行對比，進而改進截面形式，降低主梁自重。本文只是對不同截面形式進行應力對比的定性分析，得到的應力數值不能作為定量分析的依據。為了敘述方便，對僅起增強局部穩定性作用的加勁板與大隔板均不作贅述。

1 在不同截面形式下的應力對比定性分析

1.1 主梁截面形式

該臺門式起重機用軌道壓板將小車軌道固定在主梁上面板上。采用半偏軌箱形主梁，可以減小起重機上部構件在沿大車軌道方向上的尺寸，有利于其整機穩定性，并且小車軌道靠近主梁內側腹板，有助于充分利用小車架在小車軌距之間的空間，減輕小車自重。

原主梁截面（第一種截面）箱體內每隔一段距離設置一塊承載橫向加勁板（如圖1a所示），此時軌道承載輪壓載荷后，傳遞給箱體上面板，一方面上面板將載荷傳遞給腹板；另一方面上面板將載荷傳遞給橫向加勁板，由橫向加勁板再將載荷傳遞給腹板。

第二種主梁截面箱體內減窄承載橫向加勁板，但在主梁上面板內側對應小車軌道處增加一根縱向加勁板（如圖1b所示），此時軌道承載輪壓載荷后，傳遞給箱體上面板，一方面上面板將載荷傳遞給腹板；另一方面上面板將載荷傳遞給縱向加勁板，再由縱向加勁板將載荷傳遞給橫向加勁板，進而傳遞給腹板。

圖1 主梁截面的布置形式

1.2 剛度的考慮

門式起重機靜態剛性，即小車在主梁中部起升額定起重量時，其垂直靜撓度為f，對于使用簡單控制系統能達到中等定位精度特性的起重機[1]，其取值關系如下：

f≤S（（起重機跨度）/750=35 000/750=46.7 mm

1.3 穩定性的考慮

對于雙梁門式起重機來說，由于箱形截面主梁抗扭轉的剛性比較大，且在水平方向也有一定的抗彎剛性，所以不必驗算整體穩定性[2]。主梁結構中橫向及縱向加勁板的布置要遵循《起重機設計規范》[3]中5.7.1.5要求，亦可參考[4]中所述方式設置加勁板。

2 有限元模型的建立與分析

目前，在工程實際應用中，常用的數值求解方法有：有限單元法、有限差分法、邊界單元法和加權殘數法。其中，有限單元法是隨著計算機發展而被廣泛應用的一種有效的數值計算方法。其基本思想就是將連續體的結構離散成有限個單元組成，并且每個單元中設定有限個節點，同時選定場函數的節點值作為基本未知量，并在每一單元中假設一近似插值函數以表示單元中場函數的分布規律，繼而利用力學中的某些變分原理去建立求解節點未知量的有限元方程。與傳統的分析計算方法相比，采用有限元分析方法更接近真實值，且可以同時實現優化處理。

2.1 單元的選取與介紹

ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場及聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，是現代產品設計中的高級CAE工具之一。在本文所述的分析過程中，主要使用SHELL63和BEAM188兩種單元。

采用SHELL63單元建立主梁箱體主體的分析模型。該單元既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內荷載和法向荷載。每個節點具有6個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動。單元定義時需要四個節點、四個厚度、一個彈性地基剛度和正交各向異性的材料（幾何形狀、節點位置及坐標系如圖2所示）。在單元的面內，其節點厚度為輸入的四個厚度，單元的厚度假定為均勻變化。由于在本分析中，板材的厚度不變，所以單元設置中只需輸入TK(I)即可（如果厚度是變化的，則四個節點的厚度均需輸入）。

圖2 shell63單元模型圖

圖3 beam188單元模型圖

采用BEAM188單元建立軌道的分析模型。該單元適用于分析細長的梁，能很好地應用于線性分析、大偏轉、大應力的非線性分析其是基于Timoshenko梁理論的，具有扭切變形效果。BEAM188單元是一個二節點的三維線性梁，在每個節點上有6或7個自由度（幾何形狀、節點位置及坐標系如圖3所示），自由度數目的變化是由KEYOPT(1)來控制的。當KEYOPT(1)=0時(默認),每節點有6個自由度，分別是沿X、Y、Z軸的位移及繞其的轉動。需要注意的是BEAM188單元忽略實常數設置。

這里給出設置單元型號及材料屬性命令流：

/PREP7

ET，1，shell63

ET，2，beam188

MPTEMP，1，0

MP，EX，1，，2.06e5

MP，PRXY，1，，0.3

MP，DENS，1，7.85e-9

2.2 幾何模型的建立

取主梁各尺寸的中面進行建模，由于橫向加勁板僅在其自身所在截面內改變梁的截面性質，對強度和剛度的影響不大。依據前文所述的兩種截面的特性，對箱體內的加勁板進行簡化，在一些關鍵部位添加橫向加勁板，即在與起重小車行走輪對應的區域附近，其余區域不添加橫向加勁板，參與承載的縱向加筋引起的正應力與撓度減小量約達10%[5]，在建模過程中應予考慮，不直接參與承載的縱向加勁板相應取消。

為便于面板與腹板的焊接，在建模時需注意朝向的設置及偏移。由于是對稱結構，僅需建立半幅主梁然后鏡像生成整體結構。

2.3 劃分單元數量的確定

如果插值函數滿足一定要求，隨單元數目的增加，求解的精度會不斷提高，但是卻增加了分析所用的時間。在實際工程應用中，只要所得的結果能夠滿足工程需要就足夠了，因此，在分析前就要預先規劃，要在分析的精度和所用的時間上找到一個平衡點。

由于本文是對不同主梁截面作對比分析，不考慮小車軌道與主梁上面板的接觸應力。對主梁面板橫向劃分12個單元，豎向劃分12個單元，加之主要觀察位置為主梁中部，在縱向上靠近中部的位置劃分密實一些，遠離中部的位置劃分稀疏一些。為使劃分網格美觀合理，采用映射劃分方式。

2.4 約束與加載

雖然雙主梁箱體沿橫向、縱向均可視為對稱結構，但由于小車的每個車輪輪壓有所不同，從準確施加載荷的角度考慮，單根主梁不可設置對稱約束。

對于小車及起重量載荷，均以輪壓的形式進行加載，由于在節點上使用集中載荷進行加載時，會在局部產生應力畸點，影響判斷，所以這里均使用面力載荷。為考慮主梁自重載荷帶來的影響，設置該方向下的重力加速度。

2.5 分析結果及對比

經分析后查看結果，兩種截面下均符合《起重機設計規范》對材料及許用應力的要求，同時也滿足上文所述的剛度要求，表1列出兩種截面分析參數及結果數據的比對資料（云圖如圖4～圖7所示）。

表1 兩種截面數據對比

圖4 第一種截面等效應力圖

圖5 第一種截面下撓位移圖

圖6 第二種截面等效應力圖

圖7 第二種截面下撓位移圖

3 結束語

上文結果表明：在滿足雙梁門式起重機性能要求的情況下，采用第二種截面形式時，優化了受力結構，使力的傳導更順暢，相應提高了小車軌道附近區域的局部穩定性，并且能顯著減輕主梁結構自重。這對類似箱形主梁的橋門式起重機的設計具有很好的參考意義。對起重機生產企業來講，降低了制造成本，提高了企業的產品競爭力，在當前市場環境下也具有非常重要的意義。

[1]GB/T14406-2011.通用門式起重機[S].

[2]李雙林.50t/28m龍門起重機主梁有限元分析及結構優化設計[D].長沙:中南林業科技大學，2009.

[3]GB/T3811-2008.起重機設計規范[S].

[4]胡建偉，盛寶安.客運專線架橋機主梁的局部穩定性分析[J].工程機械，2005（9）:40-42.

[5]傅永華，陳定方.起重機結構件加筋對結構強度與剛度的影響[J].起重運輸機械，1996（5）：30-31.