基于Hypermesh10.0固定式起重機(jī)結(jié)構(gòu)仿真模型構(gòu)建研究*

馮建平，鄭玉卿，方永蘭，楊軼平，魯立中

（1.湖州市特種設(shè)備檢測(cè)中心，浙江湖州 313000；2.湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江湖州 313000）

基于Hypermesh10.0固定式起重機(jī)結(jié)構(gòu)仿真模型構(gòu)建研究*

馮建平1，鄭玉卿2，方永蘭1，楊軼平1，魯立中1

（1.湖州市特種設(shè)備檢測(cè)中心，浙江湖州 313000；2.湖州師范學(xué)院工學(xué)院，浙江湖州 313000）

根據(jù)單臂架固定式起重機(jī)結(jié)構(gòu)幾何設(shè)計(jì)特征，基于Solidworks建立三維裝配體模型并導(dǎo)出為stp格式文件，將其導(dǎo)入Hy?permesh10.0后，采用多種網(wǎng)格單元類型，建立了一個(gè)可直接計(jì)算的固定式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)FEA仿真模型，目的是為了實(shí)現(xiàn)固定式起重機(jī)在多工況作業(yè)下更真實(shí)的運(yùn)動(dòng)仿真和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核。

固定式起重機(jī)；單元類型；Hypermesh；仿真模型

起重機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度校核方法對(duì)起重機(jī)械結(jié)構(gòu)作眾多簡(jiǎn)化處理缺點(diǎn)，而且理論強(qiáng)度校核結(jié)果也往往使起重機(jī)用戶無(wú)法直觀、準(zhǔn)確、全面地了解起重機(jī)受載各部件在復(fù)雜工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，用戶很難針對(duì)這類設(shè)備的復(fù)雜工作狀況和使用狀態(tài)提出有效的維護(hù)措施，降低了固定式起重機(jī)設(shè)備的運(yùn)作效率和工作壽命。有限單元法在機(jī)械強(qiáng)度校核中的應(yīng)用日益增加，利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS、MARC）建立大型起重機(jī)承載結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算模型，對(duì)起重機(jī)全面強(qiáng)度校核計(jì)算成為了可能，設(shè)計(jì)人員不僅能完成起重機(jī)主要承載構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度校核，而且計(jì)算獲得的各類應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D也使得起重機(jī)主要承載構(gòu)件在復(fù)雜工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布變得一目了然。目前，對(duì)于固定式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)仿真模型的構(gòu)建方法論述還較少[1]。

本文選取一臺(tái)柔性拉索變幅單臂架固定式起重機(jī)作為研究對(duì)象，使用Hypermesh10.0軟件全面介紹了整體結(jié)構(gòu)仿真模型的構(gòu)建方法，最終得到一個(gè)可用于多工況動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算的有限元結(jié)構(gòu)模型。

1 三維裝配體的建立

1.1 概況

單臂架固定式起重機(jī)是港口、碼頭用于裝卸集裝箱或散貨的理想裝卸設(shè)備，通常也應(yīng)用于大型船廠或船塢，主要承擔(dān)大型鋼結(jié)構(gòu)件施工任務(wù)和大批貨物的裝卸，本文選取GQ1613為研究對(duì)象，它是一臺(tái)正處于服役期的小型固定式起重機(jī)，變幅機(jī)構(gòu)采用柔性拉索，通過(guò)鋼絲繩索補(bǔ)償平衡方式實(shí)現(xiàn)起吊貨物水平移動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)帶載全幅度回轉(zhuǎn)變幅作業(yè)，起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 GQ1613主要結(jié)構(gòu)示意圖

整個(gè)固定式起重機(jī)在工作受載狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，需要使用有限元力學(xué)仿真分析為該起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的定期點(diǎn)檢和日常維護(hù)提供技術(shù)支撐。

1.2 固定式起重機(jī)三維模型建立

打開(kāi)Solidworks軟件，首先選擇合理的基準(zhǔn)面上進(jìn)行草繪，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)和陣列等特征命令生成基體。再在基體上運(yùn)用拉伸、旋轉(zhuǎn)、切剪、掃描、抽殼、陣列等特征操作，不斷對(duì)固定式起重機(jī)主要承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，直至達(dá)到有限元力學(xué)分析要求。建模時(shí)可通過(guò)“編輯草繪”和“智能尺寸”對(duì)Solidworks自動(dòng)賦值的尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，實(shí)體模型也會(huì)隨著尺寸的變化而實(shí)現(xiàn)再生。裝配時(shí)，當(dāng)零件裝配體的空間位置與機(jī)械零部件的空間位置不一致時(shí)，須采用變換位置方法來(lái)調(diào)整裝配體的距離和旋轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配，最后結(jié)合固定式起重機(jī)主體結(jié)構(gòu)的受力分析要求，建立固定式起重機(jī)三維實(shí)體模型如圖2所示[2-3]。

圖2 固定式起重機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)裝配體模型

2 有限元仿真模型建立

2.1 單元類型選擇

固定式起重機(jī)受載部件主要有鋼絲繩索、桁架式臂架、基座、轉(zhuǎn)臺(tái)、人字架、配重和支撐圓筒結(jié)構(gòu)等組成[4]。其中，臂架主體部分由四根主弦桿和大量小腹圓桿焊接而成，主體部分以弦桿焊接在支座板，并與臂架上的支座連接，材料是熱軋無(wú)縫鋼管Q235A，以同樣的方式與臂架頭部滑輪組支座板連接，底部與轉(zhuǎn)臺(tái)上的基座鉸鏈連接，基座由鋼板焊接而成，局部加強(qiáng)位置焊有凸緣和筋板。根據(jù)臂架結(jié)構(gòu)的受力及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，減少整體計(jì)算規(guī)模，采用shell63單元，模型尺寸單位均取mm，單元邊長(zhǎng)10～20 mm之間，總共劃分為99 429個(gè)單元焊接部位均采用節(jié)點(diǎn)連接，螺栓采用CP_STRUC單元（節(jié)點(diǎn)耦合單元）模擬，若CP_STRUC單元有獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)，必須施加一個(gè)Mass21單元，否則計(jì)算就無(wú)法進(jìn)行，如圖3所示[5]。

圖3 臂架有限元模型

因臂架底部基座和轉(zhuǎn)臺(tái)固定基座由于受力較大，為了更好模擬其受力情況，采用Solid92二階單元?jiǎng)澐郑瑑苫闹虚g均在1D面板下用rig?id命令建立各自CP_STRUC，然后在CP_STRUC中間Master節(jié)點(diǎn)上各配置一個(gè)mass21單元，然后利用replace命令讓兩個(gè)Mass21的坐標(biāo)一致，切記此處不能勾選equivalence，然后在Mass21單元上建立一個(gè)局部坐標(biāo)系，利用這兩個(gè)共坐標(biāo)的mass21單元建立MPC184-revolute單元來(lái)模擬兩者之間鉸鏈連接，如此可實(shí)現(xiàn)基座之間相互轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖4所示。

轉(zhuǎn)臺(tái)、人字架和支撐圓筒結(jié)構(gòu)均是板狀焊接結(jié)構(gòu)件，所以均采用shell63單元，焊接部位采用點(diǎn)-點(diǎn)連接或CP_STRUC單元來(lái)實(shí)現(xiàn)力傳遞，配重主要采用Mass21單元均勻施加于轉(zhuǎn)臺(tái)配重所在位置的周邊殼體單元節(jié)點(diǎn)上，如圖5所示。

圖4 基座鉸鏈連接模型

圖5 轉(zhuǎn)臺(tái)、人字架、支撐圓筒和配重模型

起重機(jī)的變幅鋼絲繩和滑輪組在起重機(jī)工作時(shí)不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，但是對(duì)于某一實(shí)際靜載工況下，它們之間是靜止不動(dòng)的，在強(qiáng)度校核過(guò)程中若要考慮運(yùn)動(dòng)過(guò)程的影響也可以通過(guò)對(duì)最大載荷乘以動(dòng)載系數(shù)來(lái)仿真校核，所以可以省略滑輪組的繪制，鋼絲繩采用Link180桿單元來(lái)模擬，該單元具有拉壓、僅拉、僅壓的三種功能，可以通過(guò)改變單元的參數(shù)屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能，特別要注意Link180單元在僅拉和僅壓情況，Ansys必須打開(kāi)非線性分析選項(xiàng)（即SolutionLarge displacement static）才能計(jì)算，建議每根繩子采用一個(gè)Link180單元來(lái)模擬，切忌采用多個(gè)Link180單元串聯(lián)起來(lái)模擬一根鋼絲繩，如此整體結(jié)構(gòu)變形過(guò)大導(dǎo)致程序終止運(yùn)算，它等價(jià)于彈簧串聯(lián)導(dǎo)致剛度大幅下降。考慮到該固定式起重機(jī)主要是受載情況下的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，不存在鋼絲繩壓縮過(guò)程，故選用拉壓和僅拉功能均可以。至此，整個(gè)固定式起重機(jī)有限元仿真模型構(gòu)建如圖6所示，其中shell63單元126980個(gè)， solid92單元66599個(gè)，Mass21單元 286個(gè)，Link180單元 8個(gè)，CP_STRUC單元404個(gè)，MPC184_revolute單元2個(gè)[6]。

圖6 固定式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)FEA仿真模型

2.2 單元屬性和邊界條件

模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料大部分為Q345-A，且采用線彈性分析模型，Q235材料屬性參數(shù)設(shè)定為：密度ρ=7.85E-9ton/mm。楊氏模量E=2.06e5MPa，泊松比μ=0.30，全局設(shè)置重力加速度9.8E+3mm/s2。在臂架上端部施加載荷力為73 500 N，結(jié)合固定式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的正常工況可知，整個(gè)焊接臂架可以繞臂架與轉(zhuǎn)臺(tái)上的鉸軸處旋轉(zhuǎn)，除此之外沒(méi)有其他運(yùn)動(dòng)，故須在支撐圓筒底部平面的所有殼體單元節(jié)點(diǎn)上施加六個(gè)自由度全約束，整個(gè)模型的邊界條件設(shè)置如圖6所示。

3 結(jié)論

（1）基于Solidworks的拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、掃描、抽殼、拔模以及特征陣列、異型孔等功能操作選擇，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)起重機(jī)的所有零部件三維建模和裝配，完成三維數(shù)字化模型是實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)仿真模型構(gòu)建和力學(xué)分析的關(guān)鍵一步。

（2）基于Hypermesh10.0進(jìn)行大型起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)建模時(shí)，有時(shí)會(huì)存在不同單元類型的網(wǎng)格劃分要求，需要運(yùn)用1d、2d、3d模板下的單元新建、平移、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)、查找、更新等命令組合實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)格剖分，針對(duì)不同零部件的承載狀況、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系選擇合理的單元類型來(lái)建立整個(gè)仿真模型，以實(shí)現(xiàn)真實(shí)再現(xiàn)工作受載過(guò)程，這需要工程人員具有一定的CAE分析經(jīng)驗(yàn)。

［1］肖浩，徐竹銘.基于ANSYS的固定式起重機(jī)臂架結(jié)構(gòu)有限元分析［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27（5）：29-32.

［2］吳高陽(yáng).SolidWorks2010有限元、虛擬樣機(jī)與流場(chǎng)分析從入門(mén)到精通［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［3］陸國(guó)賢.門(mén)座起重機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京：人民交通出版社，1985.

［4］GB/T 3811-2008.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］李楚琳.HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［6］徐寶松，顧沖時(shí)，彭妍.基于HyperMesh軟件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)有限元建模［J］.中國(guó)科技論文在線，2011，01（367）：1-5.

Construction Research of Fixed Crane Structure Simulation Model Based on Hypermesh10.0

FENG Jian-ping1，ZHENG Yu-qing2，F(xiàn)ANG Yong-lan1，YANG Yi-ping1，LU Li-zhong1
（1.Huzhou Special Equipment Inspect Center，Huzhou313000，China；2.Engineering School，Huzhou Teachers College，Huzhou313000，China）

Based on the geometric features of the fixed crane with single frame，it used software Solidworks to build a three-dimensional assembly model and exported it to a stp file.Then importing assembly into Hypermesh10.0 and using a variety of element types to build a FEA simulation model including fixed crane overall structure，which can be delivered to direct calculation.The purpose is to achieve more realistic motion simulation and critical structural strength check for a fixed crane operation under multiple loading conditions.

fixed crane；element type；Hypermesh；simulation model

TP391.9

：A

：1009－9492(2014)11－0069－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.11.019

馮建平，男，1968年生，浙江湖州人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師。研究領(lǐng)域：機(jī)電類特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)。

(編輯：向 飛)

*浙江省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督系統(tǒng)科研計(jì)劃類項(xiàng)目（編號(hào)：20130367）

2014－05－13