基于ANSYS的門座起重機門架結構優化設計

蘇文力

(上海振華重工(集團)股份有限公司， 上海 200125)

伴隨著經濟全球化趨勢的不斷加強，我國貿易總量不斷提升，尤其是以港口為重要節點的國際進出口貿易繁榮發展．保證港口的正常高效運行，成為保證我國經濟持續較快增長的前提[1]．

某港口使用的MQ1625門座式起重機在使用過程中發現門架橫梁和端梁連接處有裂紋，影響到該機的正常使用．筆者基于ANSYS有限元理論基礎，對MQ1625門座起重機在臂架處于最大幅度起吊額定載荷工況下，對門架結構進行靜力分析，通過對真實情況的模擬計算出門架的強度、剛度的分布，在此基礎上，以減小門架橫梁端梁連接處應力為目標進行結構優化．

1 結構載荷計算

通過對多種工況比較，得出的結論是：當門座起重機起吊額定載荷，旋轉和變幅機構緊急制動，考慮工作狀態最大風載荷，臂架處于最大幅度且平行于軌道方向時，門架橫梁和端梁連接處處于最危險狀況，MQ1625整機結構示意圖見圖1．

為了方便分析及減少不必要的工作量，將作用于整機的外載荷折算到門架部分，僅選取門架部分進行分析(圖2)．

起重機最大幅度起吊額定載荷，經過折算，作用于門架圓筒中心的載荷為：Fx≈106 kN，Fy≈1 084 kN，Mx≈8 000 kN·m，My≈1 450 kN·m．

圖 1 MQ1625整機結構示意圖

圖 2 MQ1625門架結構受力示意圖

2 門架結構有限元分析

為了提高門架橫梁的局部穩定性，橫梁中設置有縱向加強肋和橫向加強筋，縱向加強筋對橫梁的強度剛度影響較小，建模時將其忽略．橫向加強肋在實際焊接中多為非連續焊接，經多次建模計算比較，建模時僅設置大隔板即可．

2.1 在前處理中建立有限元模型

利用ANSYS的參數化建模技術建立門座起重機的有限元模型[2]．單元類型選用板單元shell63，板厚通過定義單元實常數來設定．根據MQ1625門座式起重機設計圖紙要求，門架材料為Q235鋼，彈性模量Ex=2.06e11，泊松比μ=0.304，密度ρ=7 800 kg/m3．建模過程采用自下而上的方式，建立門架有限元模型并進行網格劃分．完成后的有限元模型如圖3所示．

圖 3 MQ1625門架有限元模型

門架結構有限元模型是在不影響計算精度前提下的簡化模型，模型的重量小于門架的實際重量，在施加載荷時需要對門架自身重量進行補償．目前多采用以下補償方法：質量補償、密度補償和重力加速度補償．門架模型采用密度補償法．

2.2 在求解器中加載和求解[3]

2.2.1定義分析類型和施加約束分析類型為static，沿軌道方向端梁后兩個支點施加除沿垂直軌道方向的轉動約束外的其他約束，前兩個支點施加除沿軌道移動方向的移動約束以及沿垂直軌道方向的轉動約束外的其他約束．

2.2.2施加載荷載荷施加在橫梁圓筒中間的節點上．采用MASS21單元劃分關鍵點，然后將劃分后的節點和圓筒上的節點耦合形成剛性平面，使得施加在節點上的力傳遞到門架上．

2.2.3施加重力載荷施加Y方向上的重力加速度9.8 m/s2．所有載荷加上后，執行求解運算．

2.3 查看結果

門架應力分布云圖如圖4所示．

圖 4 MQ1625門架應力應變分析

從圖4中可以看出，主梁的最大應力在橫梁和端梁的連接位置，最大應力值為167.632 MPa．與實際過程中門架出現裂紋的位置一致．

3 門架結構優化設計

根據橫梁和端梁連接處應力值較大的特點，依據材料力學原理、結構力學方法，結合ANSYS有限元分析軟件和cad軟件，對門架結構進行優化設計，在門架橫梁和端梁的連接位置增加鋼板來減少原設計中的應力集中現象．修改設計后的門架結構見圖5．

圖 5 MQ1625門架優化設計

根據修改后的門架系統建立新的門架結構．

圖 6 MQ1625門架優化設計有限元模型

對優化后的門架進行ANSYS分析，加載求解，查看應力結果如圖7．

圖 7 MQ1625門架優化設計分析結果

對于門座起重機，根據《起重機設計規范》，應按第Ⅱ類載荷組合進行強度計算，即起重機正常工作條件下的最大載荷[4-6]．彈塑性材料許用應力為σ=σs/ns，其中σs為材料的屈服極限，ns為材料的安全系數(第二類載荷組合時取ns=1.4)．門架結構材料為Q235鋼材，許用應力σ=167.857 MPa．MQ1625門座起重機門架結構的最大合成應力為167.632 MPa，接近材料許用應力值，結構不安全．優化設計后的門架結構的最大合成應力為140.195 MPa，結構滿足強度要求．

從門架結構應力分布云圖看出，優化設計后的門架結構應力變化平緩，各點沒有產生顯著的應力集中，故結構優化設計合理．

4 結論

本文通過對MQ1625門座起重機門架結構的分析，建立了由板單元shell63組成的有限元模型，得出了該結構形式的應力、變形的特征，并且進行了結構的優化設計，經過ANSYS分析得出，優化后的門架結構更加安全合理，為該類型結構的設計和改造提供了參考．

[參考文獻]

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