基于ANSYS的門座起重機金屬結構建模

邵 揚

(武漢市特種設備監(jiān)督檢驗所，湖北 武漢 430040)

基于ANSYS的門座起重機金屬結構建模

邵 揚

(武漢市特種設備監(jiān)督檢驗所，湖北 武漢 430040)

以MQ1625型門座起重機為研究對象，介紹了其結構及主要尺寸。運用有限元分析軟件ANSYS對起重機的門架、轉臺以及人字架結構進行了分步建模，并進行了金屬結構整體有限元模型的創(chuàng)建。根據起重機的6種不同實際工況，對有限元模型進行了載荷和約束的添加，求解分析不同工況下門座起重機金屬結構的靜應力表現。分析了ANSYS建模及約束和載荷添加過程中出現的一些問題，并提出了相應的解決方案。

門座起重機； 有限元； ANSYS； 應力； 應變

門座起重機是港口裝卸作業(yè)的主要工具之一，主要包括工作機構、金屬結構和電氣系統(tǒng)(包括供電、電器、電氣控制)等三大部分[1-2]。隨著現代科技的發(fā)展，門座起重機越來越趨向于大型化、高速化、自動化和智能化。另一方面，工程實際對于門座起重機的性能要求也越來越高：不僅要求起重機重量輕、剛性好、作業(yè)范圍大，而且要求起重機小車和大車的運行速度高，在各個實際工況之下都具有較高的工作效率及安全性[3]。因此，有必要對起重機的主要承載結構，即對起重機的金屬結構進行力學分析和校核。課題將以MQ1625門座起重機為研究對象，基于有限元分析軟件ANSYS，探究其金屬結構的有限元建模方法，并模擬實際工況對起重機做靜應力分析。

1 模型介紹

以MQ1625門座起重機的金屬結構為研究對象，以有限元方法和有限元分析軟件ANSYS12.0為理論基礎和分析工具，建立MQ1625型門座起重機門架、轉臺以及人字架等結構有限元模型，并進行有限元分析。

本文建模涉及的MQ1625門座起重機其基本尺寸見圖1。

對門座起重機的門架、轉臺、人字架進行了建模，建模所反映的門座起重機的各個工況包括：工況1，額定負載，臂架處于最大幅度；工況2，額定負載，臂架處于中間幅度；工況3，額定負載，臂架處于最小幅度；工況4，額定負載，臂架處于最大幅度，轉臺人字架系統(tǒng)旋轉45°角；工況5額定負載，臂架處于最大幅度，轉臺人字架系統(tǒng)旋轉90°角；工況6，1.25倍額定負載，臂架處于最大幅度。

起重量25t吊鉤16t抓斗吊鉤工作幅度最大20m25m最小8m起升高度抓斗軌上15m,軌下12m吊鉤軌上26m,軌下12m軌距10.5m基距10.5m尾徑≤7.6m軌道P50最大輪壓≤250kN行走距離±160m

圖 1 MQ1625型門座起重機主要參數

2 建模過程概述

2.1 利用ANSYS建模

此處所采用的建模方式是自底而上的建模，也即先建立關鍵點，然后由點連成線，由線生成面，最后生成整個三維模型。由于整個模型比較大，在采用自底而上建模方式的基礎之上，對全局模型進行了分布建模處理。建模過程依次為門座、轉臺、人字架三大部分。

首先定義單元類型，根據所要建立的模型以及所選擇的建模方式：打開前處理器Preprocessor，點擊Element Type選項進行單元類型的添加。本次建模所模擬的材料為Q235碳鋼，所選取的單元類型為彈性殼單元shell63，根據其各方面參數，此處可以定義模型材料的彈性模量EX,2.06×105MPa；泊松比PRXY,0.304；密度DENS,7.85×106kg/mm3(其中彈性模量以Q235碳鋼在30°下為準)。定義參數之后開始建模，最后得到三個部分模型和整機模型(轉臺人字架結構面向海側,圖2～圖4)。對整機模型進行實常數定義和網格劃分，得到了整體有限元模型。其中網格劃分采用自由劃分方式，設置單元的邊界長度最大值不超過200 mm。

圖 2 門架結構模型建立

圖 3 轉臺結構模型建立

圖 4 人字架結構模型建立

圖 5 金屬結構整體模型

2.2 邊界條件和載荷添加

根據6種實際工況之下門座起重機所受到的約束和載荷，對模型進行邊界條件和載荷添加。各個工況模型下，載荷 Force/Moment的施加和約束Displacement的施加除了數值不同外，位置都相同。

其中，載荷施加點包括：大拉桿支座(1個)、平衡梁支座(2個)、臂架支座(2個)、齒輪齒條支座(1個)，這幾個點的載荷是門座起重機的臂架系統(tǒng)所提供的支座反力，直接由臂架部分的模型應力分析可以得到；卷筒支座(4個)，這幾個點的載荷是鋼絲繩提供的作用力，根據門機所吊貨物的重量和鋼絲繩的傾角可以算出；轉臺后方箱體所裝配重，直接由配重重量提供作用力。整個過程施加的載荷包括FX，FY，FZ，MX，MY，MZ。

約束施加點則是圓筒門座部分的最底部的四個支面，由地面做出支撐。約束和載荷加載完畢(圖6、圖7)。

圖 6 載荷施加圖

圖 7 底部支座約束施加圖

3 建模過程中所遇問題以及解決方案

3.1 分部模型的布爾運算問題

比如在建立轉臺模型的時候，最后進行布爾運算partition操作不成功，顯示超過了公差。解決的方案就是首先檢查模型，有沒有明顯的建模錯誤，若沒有問題，對所有面進行divide操作，確保所有面之間相互切割，然后再執(zhí)行partition操作。

3.2 將三個分部模型組合搭建成整體模型

在分部模型建立之后，需要將三大分部組合搭建起金屬結構整體模型。由于在整個建模過程當中門架、轉臺、人字架三個部分建模的坐標系沒有按照統(tǒng)一標準進行，如果直接進行寫操作和讀操作，會造成模型的混亂。

解決時以轉盤模型為標準，計算好相對位置之后，對人字架和門架進行移動。最后對人字架模型和門架模型進行write和read操作。得到整機模型[4-5]。

特別的在工況4和工況5當中，轉臺人字架系統(tǒng)還分別需要轉動45°和90°。這時可以以轉臺為中心，則只需要將門座部分轉動就行；或者以門座為中心，轉動上部分的轉臺人字架。最后形成的模型見圖8、圖9。

圖 8 工況4模型

圖 9 工況5模型

3.3 載荷的添加和轉臺配重的添加

在建立了各個工況的模型之后，對模型進行載荷和約束加載。這里最主要的問題就是在工況4和工況5當中進行載荷施加，需要對載荷施加點的節(jié)點坐標系進行轉動，也即與轉臺人字架的方向保持一致。然后施加載荷FX，FY，FZ，MX，MY，MZ[6]。

圖10 轉動節(jié)點坐標系

模型的各個工況之中還需要在轉臺的后方箱體上加載一個20 t的配重。這個配重的施加會通過添加節(jié)點耦合，使轉盤后方箱體下平面成為剛性平面Rigid Region來實現，中間與剛性平面耦合的節(jié)點(Mass21單元類型)在Y軸方向上的質量設置為20 000kg[7-8]。配重加載完還需要在沿門座起重機軸線的方向上，也即Y軸方向加載重力加速度Gravity。剛性平面和重力加速度的添加見圖11。

圖11 創(chuàng)建剛性平面并添加配重

4 結束語

基于有限元理論，以MQ1625型門座起重機為對象，利用ANSYS對MQ1625型門座起重機的金屬結構(門架、轉臺、人字架結構)進行建模。根據六種不同的實際工況，分別進行約束和載荷的添加，進行靜應力分析，得到起重機的應力和應變云圖，并對結果進行了分析。分析了建模過程所遇的一些難題，提出相應解決方案。靜應力分析結果對于起重機的力學校核及結構改進具有參考作用，有助于提高起重機的整體安全性。

[1] 陸國賢．門座起重機設計[M]．北京：人民交通出版社，1985．

[2] 王金諾．起重運輸機與金屬結構[M]．北京：中國鐵道出版社，2002．

[3] 黃陳娣．門座式起重機的現狀以及發(fā)展趨勢[J]．科技傳播，2012(11)：57-58．

[4]YangGuangming,GuChongshi.Safetyevaluationsystemforhydraulicmetalstructuresbasedonknowledgeengineering[J].WaterScienceandEngineering,2008(13):102-111.

[5]PopovVG,KabakovZK,GabtykaevDF.Mathematicalmodelingoftheheatingofthemetalstructuresofafoundrycraneequippedwithheatshields[J].Metallurgist,2009,53(11):704-709

[6] 屈鈞利，韓江水．工程結構的有限元方法[M]．西安：西北工業(yè)大學出版社，2004．

[7]Chen-YuanChung,JosephM.Mansour.ApplicationofANSYStothestressrelaxationofarticularcartilageinunconfinedcompression[J].JournaloftheChineseInstituteofEngineers,2014,37(03):376-384.

[8] 陳小龍.門座起重機金屬結構疲勞強度研究[D]．武漢：武漢理工大學，2008．

[責任編校： 張巖芳]

Research on Modeling of Portal Crane Metal Structure Based on ANSYS

SHAO Yang

(WuhanEspeclalEquipmntSuperviseTestInstitute,Wuhan430014,China)

This paper takes the portal crane as the research object and firstly introduces the basic knowledge about its development and structure.Then by using finite element software ANSYS the static stress analysis of the portal crane is conducted after the modeling of crane's metal structures, during which the constraints and the loads are added onto the model according to different working conditions of the crane. Finally several problems that arise during the modeling of the crane is analyzed with corresponding solutions put forward.

portal crane, finite element, ANSYS, stress, strain

2015-04-20

邵 揚(1990-)，女，湖北武漢人，工學碩士，研究方向為特種設備管理和檢驗

1003-4684(2015)04-0079-03

TH213.4

A