基于ANSYS Workbench的橋式起重機主梁有限元分析

劉文學，閆 龍，任 軍，趙少鵬

（1.河北科技大學機械工程學院，河北石家莊 050018；2.河北省教育考試院，河北石家莊 050091）

橋式起重機是在固定跨間內裝卸和搬運物料的一種機械設備，能減輕笨重的體力勞動，提高作業效率，主要用于大型加工企業，如鋼鐵、冶金、建材等行業，被稱為工業企業的“脊梁”［1－2］。

主梁是橋式起重機的重要組成部分，也是主要受力元件。在高載荷和高頻率工作過程中，主梁應力集中處容易出現疲勞破壞，而疲勞破壞不斷積累最終將導致主梁發生疲勞失效。主梁疲勞失效一般發生突然，易造成安全事故和經濟損失，主梁疲勞失效通常也意味著整臺橋式起重機壽命終結［3－4］。因此，如何在橋式起重機使用過程中監測主梁疲勞受損情況，準確判斷主梁剩余壽命，對于保障安全生產，延長起重機使用壽命具有重要意義。

有限元分析法計算精度高，適用于各種復雜形狀，被廣泛用于工程分析領域［5］。使用ANSYS Workbench對橋式起重機主梁進行有限元分析，綜合多種工況分析結果可判斷主梁發生疲勞失效的理論區域，為后續主梁貼片檢測、預測疲勞壽命提供理論指導。

1 構建主梁模型

本文研究對象為某鋼廠所使用的50／10t電動雙梁單小車橋式起重機。起重機主梁跨度為13m；主鉤額定起重量為50t，最大起升高度為18 m，起升速度為7.8m／min，工作級別為M6；副鉤額定起重量為10t，最大起升高度為20 m，起升速度為13.2m／min，工作級別為M5。

1.1 主梁幾何模型

研究橋式起重機主梁疲勞壽命，需要對主梁模型進行加載分析，判斷主梁受力危險區域。因此，主梁建模合理與否將直接影響后續檢測布點、疲勞壽命分析的準確性。為保證主梁模型既可以反映其受力情況，又便于進行有限元分析，在UG 建模過程中，略去導軌、欄桿、電纜、小車和走臺等設備。

橋式起重機主梁結構如圖1所示。

圖1 橋式起重機主梁結構圖Fig.1 Diagram of the bridge crane girder

1.2 主梁有限元模型

主梁幾何模型構建完成，設置ANSYS Workbench的CAD 配置管理器，使其可以直接讀取UG文件，避免使用中間轉換格式導入復雜模型可能造成的文件破損與識別錯誤［6－7］。該起重機主梁材料為Q235－B，導入主梁模型后，設置材料屬性，主要參數見表1。

表1 Q235－B材料屬性Tab.1 Properties of Q235－B

ANSYS Workbench網格劃分包括自動劃分和手動劃分。理論上網格精度越高，計算結果越接近真實結果，但是網格精度越高，計算機的工作量也越大，因此在分析過程中應權衡精度與計算成本的關系［8－9］。查閱相關文獻發現，當網格太密時可能出現應力分析結果急劇增大，與實際結果存在較大出入的情況［10］。經多次試驗、比較，本文中主梁劃分網格尺寸為150 mm。主梁有限元模型如圖2所示。

圖2 主梁有限元模型Fig.2 Finite element model of the girder

2 主梁載荷與約束

2.1 載荷類型

橋式起重機工作過程中主梁承受的載荷包括垂直載荷和水平載荷［11－12］。

1）垂直載荷包括橋架自重產生的均布載荷，小車自重與起升重量產生的輪壓，運行機構、操作室自重形成的集中載荷。

均布載荷：主梁質量m0＝3 350kg，跨度L0＝13 000 mm。考慮走臺、鐵軌的重量，取填充系數K＝1.4，均布載荷為q。

小車輪壓：根據資料可知，起重機滿載時小車輪壓分配如圖3所示，P1，P2，P3，P4為作用在主梁上的一組輪壓。

圖3 小車輪壓分配圖Fig.3 Wheel pressure distribution chart of the trolley

垂直方向載荷還包括操作室重量G1和運行機構重量G2，本起重機驅動方式為分別驅動。

2）當大車啟動或制動時產生水平慣性載荷，包括水平均布載荷和水平集中載荷。

水平慣性載荷計算公式為

式中：a是大車啟動或制動時的加速度；p為垂直載荷。

水平均布載荷：半橋自重產生的慣性載荷為均布載荷。

水平集中載荷：小車自重和貨物質量產生的慣性載荷，操作室、運行機構自重產生的慣性載荷。

2.2 載荷施加

垂直載荷：均布載荷以1.4倍重力加速度作用于主梁整體；小車輪壓值較大，應均勻施加在車輪位置周圍的節點上［13］；運行機構和操作室重量以點載荷的形式分別作用于上、下蓋板相應節點。

水平慣性載荷：水平均布載荷應在與慣性力相反的方向施加全局加速度；小車車輪產生的慣性載荷作用于主梁導軌側面，應在輪壓作用節點水平方向施加載荷；操作室、運行機構自重產生的慣性載荷應在相應垂直載荷作用位置處施加水平方向慣性力。

2.3 約束處理

起重機主梁簡化受力模型為簡支梁，進行有限元分析時，一端行走支撐中心施加全約束，限制x，y，z方向位移，另一端限制y方向和z方向位移，它們的位移均設置為零［14］。

3 工況分析

設起重機滿載時，主梁垂直面內受力如圖4所示，主梁承載輪壓分別為P3和P4，P3與左端支撐點距離為x，操作室重力為G1，運行機構重力為G2，均布載荷為q。

圖4 主梁受力簡圖Fig.4 Load diagram of the girder

根據主梁受力情況求得當x＝3.767m，即小車距左端支撐點5.557 m 時，主梁上輪壓P4作用點處截面彎矩最大，將小車此位置作為一種工況對主梁進行加載分析。

除上述危險位置，結合橋式起重機生產實際，共選取下列4種工況進行主梁加載分析［15］：

工況1，大車制動，小車位于主梁跨端，滿載下降制動；

工況2，大車制動，小車位于主梁全長1／4 處，滿載下降制動；

工況3，大車制動，小車位于主梁5.557 m 處，滿載下降制動；

工況4，大車制動，小車位于主梁跨中，滿載下降制動。

4 結果分析

主梁進行簡支梁約束處理，確定每種工況中各載荷作用位置，施加載荷求解，得到各工況的應力云圖，見圖5－圖8。主梁有限元分析結果見表2。

圖5 工況1主梁應力云圖Fig.5 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 1

圖6 工況2主梁應力云圖Fig.6 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 2

圖7 工況3主梁應力云圖Fig.7 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 3

圖8 工況4主梁應力云圖Fig.8 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 4

表2 主梁有限元分析結果Tab.2 Finite element analysis results of girder

分析結果表明：1）最大應力出現在工況2，即小車位于主梁全長1／4處；2）綜合各工況應力云圖，主梁兩端變截面處為應力集中區域，且上下蓋板與腹板連接處屬應力值較大區域，這些區域易在起重機實際使用過程中產生疲勞破壞，應在后續檢測中設置應變片檢測點。

5 結 語

基于ANSYS Workbench對50／10t橋式起重機主梁進行有限元分析，得到了該橋式起重機主梁理論應力集中區域，為檢測主梁真實受力情況、預算主梁剩余使用壽命提供了重要的理論依據，對于實際生產中提高起重機械使用壽命，避免起重機提前退役造成資源浪費，防止起重機超壽命危險服役，保障人身、財產安全，防范生產事故發生具有重要意義。

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