基于Solidworks的橋式起重機主梁有限元分析

閆偉叢

摘要：本文針對橋式起重機的結(jié)構(gòu)特點，采用三維設計軟件

solidworks建立了橋式起重機主梁結(jié)構(gòu)的三維模型，并對其進行了應力分析與位移分析。分析指出主梁腹板截面突變處存在嚴重應力集中，降低了橋式起重機的承載力，對橋式起重機的正常運行過程存在安全影響。因此有必要在改造橋式起重機時，對主梁腹板進行特殊的考慮。

關鍵詞：橋式起重機 SolidWorks 主梁

0 引言

橋式起重機的大梁橫跨于跨間內(nèi)一定高度的專用軌道上，可沿著軌道在跨間的縱向移動，在大梁上布置有起升裝置，大多數(shù)起升裝置采用起重小車，起升裝置可沿著大梁在跨間橫向移動，外觀像是一條金屬的橋梁，所以人們稱為橋式起重機。橋式起重機也俗稱“天車”。本文采用三維設計軟件solidworks分析了目前在研究橋式起重機中存在的問題，對橋式起重機的主梁進行了建模和相應的理論計算，然后對其進行有限元分析，找出了主梁容易發(fā)生疲勞損傷的部位，為以后設計、運行與維護提供理論依據(jù)[1]。

1 研究對象

盡管橋式起重機的類型繁多，但其基本結(jié)構(gòu)是相同的。橋式起重機主要由大梁，起升裝置，端梁，大梁行走機構(gòu)，起升裝置行走機構(gòu)，軌道和電氣動力，控制裝置等構(gòu)成。主梁變形一般是指主梁上拱嚴重減少和殘余下?lián)希蛰d時，起重機主梁低于水平線的下?lián)现担@對起重機的安全使用和承載能力都將產(chǎn)生嚴重影響，甚至可能發(fā)生人身和設備事故，所以主梁變形與設備安全密切相關，應引起設備管理人員，有關領導及天車、起重工的重視[2-3]。本文所研究對象的技術特性表和材料分別在表1，表2中列出。

2 基于Solidworks的三維建模

2.1 橋式起重機主梁三維參數(shù)化設計方法 Solidworks是windows環(huán)境下的三維機械CAD軟件。采用windows用戶界面，具有三維CAD軟件一貫提倡的易用性、高效性和功能強大，完整的提供了產(chǎn)品設計的解決方案。目前，使用solidworks軟件進行參數(shù)化建模的主要技術特點是：①基于特征。將某些具有代表性的平面幾何形狀定義為特征，并將其所有尺寸存為可調(diào)參數(shù)，進而形成實體，以此為基礎來進行更為復雜的幾何形體的構(gòu)造。②全尺寸約束。將形狀和尺寸聯(lián)系起來考慮，通過尺寸約束來實現(xiàn)對幾何形狀的控制。③尺寸驅(qū)動設計。通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動幾何形狀的改變，尺寸參數(shù)的修改將導致其他相關模塊中的相關尺寸的全盤更新。采用這種技術的理由在于它能夠徹底的克服自由建模的無約束狀態(tài)，幾何形狀均以尺寸的形式而被牢牢地控制住[4]。

2.1.1 基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模。基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化建模通過對模型的幾何尺寸進行修改實現(xiàn)對圖形的修改。它是應用最為廣泛的建模方法，也是最基本的方法。事實上，無論其余的方法利用什么來改變圖形，基本上都是通過幾何尺寸的改變來實現(xiàn)的。

2.1.2 基于約束驅(qū)動的參數(shù)化建模。在維持幾何約束關系不變的前提下，通過約束值的修改實現(xiàn)系統(tǒng)的變化，幾何約束驅(qū)動本質(zhì)上是一個集合實體約束滿足的過程，它通過一定的約束規(guī)劃和推理方法實現(xiàn)集合實體的空間定位。基于幾何約束的參數(shù)化建模用幾何約束來表達產(chǎn)品模型的形狀特征，定義一組參數(shù)以控制設計結(jié)果，從而能夠通過調(diào)整參數(shù)來修改設計模型。產(chǎn)品模型的修改通過尺寸驅(qū)動實現(xiàn)，通過給定的幾組參數(shù)值，實現(xiàn)了系列零件或標準件的自動生成。約束的引入使對設計目標依賴關系的描述成為可能。

2.1.3 基于特征的參數(shù)化建模。基于特征的參數(shù)化建模綜合運用參數(shù)化特征造型的變量幾何法和基于生成歷程法這兩種造型方法實現(xiàn)特征的構(gòu)造和編輯。基于特征的參數(shù)化建模是新型的CAD建模方法，是CAD/CAPP/CAM的熱點研究方向。

本文根據(jù)橋式起重機主梁的結(jié)構(gòu)特點，在橋式起重機主梁參數(shù)化建模中，利用參數(shù)修改法建模和solidworks本身的特征建模。

2.2 模型圖 本文主要設計的是橋式起重機的箱型主梁。箱型結(jié)構(gòu)由上下蓋板和兩個腹板構(gòu)成一個箱體，箱內(nèi)還有橫隔板和縱橫長短筋板，模型圖如圖1所示。

3 受力分析

3.1 自重載荷 自重載荷主要分為兩大類，一類是均布載荷，主要由主梁、走臺、欄桿、配電管等組成，另一類是集中載荷，主要由閉式操作室、大車運行機構(gòu)、電氣設備等組成[5-6]。在材料屬性中已設定了材料密度，且重力是分布力，重力加速度的方向是垂直向下，在SolidWorks中只需要給出受力方向和數(shù)值即可自動算出主梁的重力大小。

3.2 起升載荷 起升載荷是指起升質(zhì)量的重力。由于起升高度小于50m，所以鋼絲繩的質(zhì)量可以不計。因物品下降制動時對承載機構(gòu)和傳動機構(gòu)將產(chǎn)生附加的動載作用。這一動載作用可以通過將起升載荷乘以大于1的起升載荷動載系數(shù)？漬2考慮[1]。

5 結(jié)論

橋式起重機的三維設計在有限元分析、運動仿真、優(yōu)化設計和二維圖紙應用方面應用廣泛，對生產(chǎn)實踐也具有重要的指導意義。

本文通過對模型進行三維建模并進行有限元分析，得知橋式起重機主梁中部腹板截面處應力最大，容易發(fā)生裂紋。

設計人員在設計過程中，需要對此做充分的考慮，采取措施對容易損傷部位進行加固。同時對重點部位在日常運行過程中多加檢修，避免事故發(fā)生。綜合應力圖和位移圖結(jié)果顯示，主梁可以進一步優(yōu)化設計，降低起重機自身重量，為起重機的輕量化設計提供了重要參考。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB3811-1983起重機設計規(guī)范[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]王生，許可晉，翟甲昌.斷裂力學方法估算起重機箱型梁的疲勞壽命[J].山西機械，1994（2）：33-34.

[3]ZHAO Zhang-yan，SUN Gu0-zheng.Faults distribution of port cranes metal structure[J].Journal of Wuhan Transportation University，1999，23（6）：679-680.

[4]龔道雄.基于SolidWorks的橋式起重機參數(shù)化設計.武漢理工大學，2009（05）.

[5]李陽，梁臻.橋式起重機大車大梁有限元分析[J].湖北工業(yè)大學學報，2012，08：22-24.

[6]孫肇鵬，劉善增，吳楠.基于ANSYS的雙梁橋式起重機主梁有限元分析[J].煤礦機械，2012，08：115-116.

[7]Liu Hong-Wen.Mechanics of Materials[M].Beijing：Higher Education press 2003.