門座式起重機結構強度分析

徐香香

摘 要：文章以某港口改造的門座式起重機金屬結構為計算模型，按照《歐洲起重機機械設計規范》利用有限元分析軟件ANSYS進行了強度計算，為整機的結構設計提供依據。改造后的門座式起重機改變了部分結構，減輕了整機重量，降低了經濟成本，適應了新的工作環境。

關鍵詞：門座式起重機；有限元計算；結構強度；載荷組合

該門座起重機是專為修、造船配套的起重機設備。文章以其為主要研究對象，利用ANSYS10.0對金屬結構進行建模分析，完成了不同工況下的結構強度分析。

1 門座起重機的組成

門座起重機的結構形式如圖1所示。其主要由大車行走機構、門架、轉盤、機器房、人字架、臂架系統等組成。大車行走機構實現起重機的運行，轉盤實現起重機臂架的回轉，纏繞系統和臂架系統實現貨物的升降，起重機的帶載變幅等動作。

1-大車行走機構 2-門架 3-轉盤 4-機器房 5-人字架

6-纏繞系統 7-臂架系統 8-主鉤 9-副鉤

圖1 門座起重機結構簡圖

2 門座起重機的載荷種類

2.1 固定載荷 SG

固定載荷即為起重機的自重載荷，包括金屬結構、機械裝置、電氣設備以及配重等。

2.2 額定起升載荷 SL

額定起升載荷指總起升質量的重力。

2.3 慣性載荷。由水平運動加速或減速引起的慣性載荷，可以用加速度值來進行計算。

SH=ac×（SG+SL）

式中，ac-運動部分對應的加速度。

2.4 側向載荷。當兩個車輪沿一根軌道偏斜行走時，應考慮垂直于軌道的水平力所形成的力偶。

SK=■？姿P中，？姿-側壓力系數，取決于跨距與基距之比；P-受側向力作用側的起重機走輪上的最大總輪壓。

3 模型建立

該起重機模型運用有限元軟件ANSYS進行分析計算。考慮到各部分結構形式和受力情況的不同，建模過程中采用了4種單元類型：梁單元Beam44、管單元Pipe16、桿單元Link8以及質量單元Mass21。

3.1 Beam44單元

Beam44具有拉伸、壓縮、扭轉和彎曲功能的單軸單元。該起重機的端梁、橫梁、機器房底座和部分人字架采用的是箱型梁與工字梁結構，這些部件都采用的Beam44單元類型。

3.2 Pipe16單元

Pipe16是一個軸向拉壓、扭轉和彎曲單元。該起重機的門架、部分人字架和臂架系統采用的是Pipe16單元類型。

4 起重機載荷工況組合

4.1 起重機工作狀態

4.1.1 臂架上仰27°、45°、58°、78°，同時起重機正常工作。

4.1.2 臂架水平，臂架下俯13°處于錨定狀態，起重機不工作。

4.2 工況組合

該起重機的工況組合分為無風工作工況、有風工作工況和暴風工作工況。如果行走運動只是為了調整起重機作業位置，而不是經常用于搬運貨物，不考慮側向力的影響。各種工況下的載荷分別如下：

無風工作工況

有風工作工況

暴風工作工況

5 有限元法的計算原理

在文章的結構力學分析中，ANSYS采用變分學和最小勢能原理進行求解。以一端固定一段自由梁為例。其總能量可用拉格朗日函數L表示。

（*） 則其泛函數為 ，

由拉格朗日函數可知，L是？棕和w"的函數，即L=L（？棕，w"），？棕-為彈性梁的撓度。

其最小勢能可用變分泛函數表示：

令？啄？仔=0，即可求出極值。

因為？啄w為任意函數，所以■=0，（■）=0，這兩項為彈性梁的邊界條件，第三項即為彈性梁的平衡方程。所以平衡方程為■+（■）"=0，把（*）式代入，得

q+EIw""=0

由推理過程可知，泛函數和平衡方程是等價的。首先假設一組符合于邊界條件的試調函數，并將其代入能量方程式中，再對試解函數的各個系數作微分，令之為零，找出能量方程式的最小值，最后解得試解函數的各個系數。其中可以利用三角函數、冪函數等作為試解函數。

6 整機計算結果及分析

6.1 許用應力的規定

該起重機主結構制造材料為Q345B，其許用應力為：[？滓]=■，？滓s=345MPa，n為安全系數。無風工況下的許用用力為230MPa；有風工況下的許用應力為259.4MPa；暴風工況下的許用應力為313.6MPa。

6.2 各個工況下的應力分布

計算結果中顯示，工作工況在78°是出現最大應力213.238MP，位于變幅鋼絲繩和臂架的連接處；非工作工況在-13°時出現最大應力240.704MP，位于轉盤和臂架的連接處，如圖2所示。

7 結束語

（1）在用ANSYS進行結構分析計算時，要全面考慮載荷組合及作用方式，尤其是作用力很大但是合力為零的載荷，如鋼絲繩的預緊力等。（2）在實際工作中起重機金屬結構受力比較復雜，使用有限元軟件ANSYS就可以較好的模擬起重機在各種工況下的真實應力情況，大幅度提高整體結構可靠性及安全性。但是ANSYS是個分析工具，對于具體的實際情況還是需要借助力學知識進行分析。（3）通過計算結果可以得到模型的應力分布以及各節點力，可通過對數據的分析進行進一步的優化設計。如調整結構板厚以及配重的質量，使得金屬結構的整體應力分布最優化，使得結構質量盡量輕巧的同時又能滿足結構可靠性的要求。

參考文獻

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