基于ANSYSWorkbench的橋式起重機小車架有限元分析

范開英， 沈蘭華

（山東豐匯設備技術有限公司，濟南250200）

0 引言

小車架是橋式起重機的重要承載部件，其強度和剛度對整機的可靠性、穩定性及安全性的影響很大，它不僅要支撐主、副起升卷揚機，還要實現在橋架主梁上的橫向運行，承受起升和運行中的動載荷，其設計水平將直接影響整個起重機的使用性能。在傳統橋式起重機的小車架設計中，考慮車輪與軌道之間的接觸約束不強，端梁在軌道和垂直軌道方向都容易發生小角度自由變形，通常為提高設計效率而將此結構簡化為簡支梁考慮。小車架在實際制作時，中間連系梁焊接固定在端梁上，不僅會給端梁帶來跨中豎直載荷，同時也會對端梁產生較大的附加彎矩和剪切應力。由于連系梁與端梁慣性矩之比不同，筋板加強后各自的約束條件難以界定，變形協調關系比較復雜，應力分布可以預測但不能精確計算。手工簡化計算會有較大的誤差，不符合精細化要求，對局部構造改變時沒有設計理論依據。本文以某項目的QD300t橋式起重機的小車架為研究對象，以大型有限元分析軟件ANSYS Workbench為平臺，用有限元的方法對通用橋式起重機的小車架進行了靜力學性能分析，分析結果較為精確地反映了該結構的整體性能，提高了小車架的設計水平，為進一步優化設計、節省材料用量提供了有力依據。

1 結構特點

該小車架整體采用焊接形式，由主梁、次梁、中間連系梁和端梁組成，由于安裝和構造的要求，縱橫交錯筋板結構居多，模型比較復雜。該小車架端梁兩端與車輪組連接，在橋架主結構的軌道上行走，車輪踏面比軌道寬，軌道對車輪除摩擦外無固定約束；主、副起升卷揚機經由軸承座底架、減速機底座、制動器底座、電機底座，通過螺栓固定于小車架上平面，主、副起升定滑輪組及平衡梁安裝于小車架主梁和次梁的中間連系梁位置，其自重載荷和工作載荷通過各自連接面傳遞給小車架，結構示意如圖1所示。

2 受力分析

2.1 自重載荷

自重載荷包括小車架自身重量，其上所承載的起升卷揚機、定滑輪組、平衡梁等重量，考慮沖擊影響，自重載荷應乘以起升沖擊系數φ1（此處取1.1），其中小車架金屬結構自重為均布載荷，用重力加速度值實現，其上承載的其它部分重量，換算到小車架上對應的底座位置上。小車架所用鋼材為Q345B，屈服強度σs=345 MPa，彈性模量E=210 GPa，泊松比 ν=0.3，密度 ρ=7 850 kg/m3。

圖1 小車架三維模型

2.2 起升載荷

起重機小車滿載吊重300 t，考慮動載效應，乘以動載系數φ2（取1.1），起升載荷根據繞繩方式按比例分配到卷揚機、定滑輪組和平衡梁的底座上。

2.3 水平慣性載荷

按GB3811規范要求，水平慣性載荷分別由大車制動和小車制動情況下產生，起重機小車運行機構啟（制）動時，其自身質量以及起升質量產生水平慣性力，按規范要求，取該質量與運行加速度乘積的倍數（此時取1.5）計算，但不大于主動車輪與軌道之間的黏著力，用來考慮起重機驅動力突變時結構的動力效應［1］。

3 有限元模型建立

利用三維軟件SolidWorks和ANSYS Workbench良好的接口關系，首先在SolidWorks中建立三維模型。在使用工程圖紙三維模型時，為重點突出主要構件的應力和變形情況，對安裝使用的螺栓孔進行壓縮；為避免應力集中而影響整體計算效果，將銳角筋板做鈍化處理，使網格更加均勻；加載前將受力部位提前用分割線加以劃分，以使載荷方位更加精確。模型前處理后，從SolidWorks的兼容分析模塊鏈接啟動ANSYS Workbench。選用Static Structural類分析模型，在model子模塊中進行網格劃分。劃分時，為保證計算的精度，結合該小車架整體尺寸定義單元大小，然后對需要重點關注的部位進行網格細化，使小車架網格劃分后，既滿足結果精度要求，又不至于使計算量過大。同時,該小車架的實體模型與SolidWorks模型保持關聯,對結構需要修改時,只需在SolidWorks中修改，在ANSYS Workbench中更新即可。該小車架模型共劃分單元數106 434個，節點數202 070個，最終有限元模型如圖2所示。

4 有限元靜力分析

4.1 載荷及邊界條件

對劃分好網格的小車架模型施加載荷,通過用實際重量和模型重量比值修正重力加速度值的方法實現小車自重的加載，按照受力分析中的描述在各個底座分割面域的所有節點施加集中載荷。施加邊界條件和約束，該小車架由4組臺車通過連接軸支撐，將此處軸孔位置的所有節點加圓柱面約束，只保留繞軸線方向的旋轉自由度。

圖2 小車架有限元模型

4.2 結果分析

在結果文件中添加主應力云圖、變形云圖，通過ANSYS Workbench求解模塊計算分析，結果如圖3、圖4所示。由圖示結果可知，最大應力分布于小車架主梁的中間位置。次梁和端梁應力較小，可以進一步優化，減小整機重量。另外，端梁臺車孔上部筋板處有局部的應力集中，需要適當調整筋板結構。最大變形量位于主梁中部，垂直靜剛度和水平靜剛度均在規范的許可范圍內，所以整機強度和剛度均滿足工作要求。

圖3 應力云圖

圖4 變形云圖

5結 語

通過對QD300t橋式起重機小車架的結構特點和受力情況進行分析，并利用ANSYS Workbench平臺建立該車架的有限元模型，進而分析了該小車架的靜力學特性。分析結果為：

1）應力云圖表明，小車架整體應力不超過屈服極限，處于材料線性變化范圍，但局部筋板存在應力集中現象，在高頻載荷作用下，容易出現疲勞，需要進一步優化。

2）受局部彎矩影響，在端梁和中間連系梁連接部位內側應力比外側要大，中間連系梁的應力并沒有呈現中間比兩端大的特點，說明中間連系梁在計算時不能簡化為簡支梁，但也不能認為是兩端固定連接，要充分考慮兩梁各自剛性對連接部位的影響。

3）運用ANSYS Workbench能夠快速地對小車架模型進行有限元分析，從而實現對小跑車強度和剛度的預測，提高了設計效率，使起重小車更加輕量化。

4）小車架整體應力不大，強度安全余量很大，但剛度余量很小，說明小車架在設計時考慮更多的是自身剛性對振動的影響，因此小車架設計時并不需要強度較高的材料，普通板材即可滿足要求。

［1］ GB/T 3811-1983 起重機設計規范［S］.

［2］ 許京荊.ANSYS 13.0 Workbench數值模擬技術［M］.北京：中國水利水電出版社，2012.

［3］ 張質文,虞和謙，王金諾，等.起重機設計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，2001.