基于ANSYS的門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)建模

邵 揚(yáng)

(武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武漢 430040)

基于ANSYS的門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)建模

邵 揚(yáng)

(武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武漢 430040)

以MQ1625型門座起重機(jī)為研究對象，介紹了其結(jié)構(gòu)及主要尺寸。運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對起重機(jī)的門架、轉(zhuǎn)臺以及人字架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分步建模，并進(jìn)行了金屬結(jié)構(gòu)整體有限元模型的創(chuàng)建。根據(jù)起重機(jī)的6種不同實(shí)際工況，對有限元模型進(jìn)行了載荷和約束的添加，求解分析不同工況下門座起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的靜應(yīng)力表現(xiàn)。分析了ANSYS建模及約束和載荷添加過程中出現(xiàn)的一些問題，并提出了相應(yīng)的解決方案。

門座起重機(jī)； 有限元； ANSYS； 應(yīng)力； 應(yīng)變

門座起重機(jī)是港口裝卸作業(yè)的主要工具之一，主要包括工作機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)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(xiàn)代科技的發(fā)展，門座起重機(jī)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(shí)際對于門座起重機(jī)的性能要求也越來越高：不僅要求起重機(jī)重量輕、剛性好、作業(yè)范圍大，而且要求起重機(jī)小車和大車的運(yùn)行速度高，在各個(gè)實(shí)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(jī)的主要承載結(jié)構(gòu)，即對起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析和校核。課題將以MQ1625門座起重機(jī)為研究對象，基于有限元分析軟件ANSYS，探究其金屬結(jié)構(gòu)的有限元建模方法，并模擬實(shí)際工況對起重機(jī)做靜應(yīng)力分析。

1 模型介紹

以MQ1625門座起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)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(chǔ)和分析工具，建立MQ1625型門座起重機(jī)門架、轉(zhuǎn)臺以及人字架等結(jié)構(gòu)有限元模型，并進(jìn)行有限元分析。

本文建模涉及的MQ1625門座起重機(jī)其基本尺寸見圖1。

對門座起重機(jī)的門架、轉(zhuǎn)臺、人字架進(jìn)行了建模，建模所反映的門座起重機(jī)的各個(gè)工況包括：工況1，額定負(fù)載，臂架處于最大幅度；工況2，額定負(fù)載，臂架處于中間幅度；工況3，額定負(fù)載，臂架處于最小幅度；工況4，額定負(fù)載，臂架處于最大幅度，轉(zhuǎn)臺人字架系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)45°角；工況5額定負(fù)載，臂架處于最大幅度，轉(zhuǎn)臺人字架系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)90°角；工況6，1.25倍額定負(fù)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(jī)主要參數(shù)

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(guān)鍵點(diǎn)，然后由點(diǎn)連成線，由線生成面，最后生成整個(gè)三維模型。由于整個(gè)模型比較大，在采用自底而上建模方式的基礎(chǔ)之上，對全局模型進(jìn)行了分布建模處理。建模過程依次為門座、轉(zhuǎn)臺、人字架三大部分。

首先定義單元類型，根據(jù)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(diǎn)擊Element Type選項(xiàng)進(jìn)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(jù)其各方面參數(shù)，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(zhǔn))。定義參數(shù)之后開始建模，最后得到三個(gè)部分模型和整機(jī)模型(轉(zhuǎn)臺人字架結(jié)構(gòu)面向海側(cè),圖2～圖4)。對整機(jī)模型進(jìn)行實(shí)常數(shù)定義和網(wǎng)格劃分，得到了整體有限元模型。其中網(wǎng)格劃分采用自由劃分方式，設(shè)置單元的邊界長度最大值不超過200 mm。

圖 2 門架結(jié)構(gòu)模型建立

圖 3 轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)模型建立

圖 4 人字架結(jié)構(gòu)模型建立

圖 5 金屬結(jié)構(gòu)整體模型

2.2 邊界條件和載荷添加

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

其中，載荷施加點(diǎn)包括：大拉桿支座(1個(gè))、平衡梁支座(2個(gè))、臂架支座(2個(gè))、齒輪齒條支座(1個(gè))，這幾個(gè)點(diǎn)的載荷是門座起重機(jī)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(yīng)力分析可以得到；卷筒支座(4個(gè))，這幾個(gè)點(diǎn)的載荷是鋼絲繩提供的作用力，根據(jù)門機(jī)所吊貨物的重量和鋼絲繩的傾角可以算出；轉(zhuǎn)臺后方箱體所裝配重，直接由配重重量提供作用力。整個(gè)過程施加的載荷包括FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z，MX，MY，MZ。

約束施加點(diǎn)則是圓筒門座部分的最底部的四個(gè)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(yùn)算問題

比如在建立轉(zhuǎn)臺模型的時(shí)候，最后進(jìn)行布爾運(yùn)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(cuò)誤，若沒有問題，對所有面進(jìn)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(gè)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(jié)構(gòu)整體模型。由于在整個(gè)建模過程當(dāng)中門架、轉(zhuǎn)臺、人字架三個(gè)部分建模的坐標(biāo)系沒有按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，如果直接進(jìn)行寫操作和讀操作，會造成模型的混亂。

解決時(shí)以轉(zhuǎn)盤模型為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算好相對位置之后，對人字架和門架進(jìn)行移動。最后對人字架模型和門架模型進(jìn)行write和read操作。得到整機(jī)模型[4-5]。

特別的在工況4和工況5當(dāng)中，轉(zhuǎn)臺人字架系統(tǒng)還分別需要轉(zhuǎn)動45°和90°。這時(shí)可以以轉(zhuǎn)臺為中心，則只需要將門座部分轉(zhuǎn)動就行；或者以門座為中心，轉(zhuǎn)動上部分的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)臺配重的添加

在建立了各個(gè)工況的模型之后，對模型進(jìn)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(dāng)中進(jìn)行載荷施加，需要對載荷施加點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)動，也即與轉(zhuǎn)臺人字架的方向保持一致。然后施加載荷FX，F(xiàn)Y，F(xiàn)Z，MX，MY，MZ[6]。

圖10 轉(zhuǎn)動節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系

模型的各個(gè)工況之中還需要在轉(zhuǎn)臺的后方箱體上加載一個(gè)20 t的配重。這個(gè)配重的施加會通過添加節(jié)點(diǎn)耦合，使轉(zhuǎn)盤后方箱體下平面成為剛性平面Rigid Region來實(shí)現(xiàn)，中間與剛性平面耦合的節(jié)點(diǎn)(Mass21單元類型)在Y軸方向上的質(zhì)量設(shè)置為20 000kg[7-8]。配重加載完還需要在沿門座起重機(jī)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(jié)束語

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

[1] 陸國賢．門座起重機(jī)設(shè)計(jì)[M]．北京：人民交通出版社，1985．

[2] 王金諾．起重運(yùn)輸機(jī)與金屬結(jié)構(gòu)[M]．北京：中國鐵道出版社，2002．

[3] 黃陳娣．門座式起重機(jī)的現(xiàn)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(jié)構(gòu)的有限元方法[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)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(jī)金屬結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度研究[D]．武漢：武漢理工大學(xué)，2008．

[責(zé)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(yáng)(1990-)，女，湖北武漢人，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備管理和檢驗(yàn)

1003-4684(2015)04-0079-03

TH213.4

A