基于ANSYS平臺的四連桿門座起重機立柱及平衡系統金屬結構有限元分析

王紅霞，王紅勤

（1.河南工學院，河南 新鄉 453003；2.廣州大學 華軟軟件學院，廣東 廣州 510990）

四連桿門座起重機作為一種典型的旋轉類型起重機（CAD模型如圖1所示，實物如圖2所示），被廣泛應用于港口、碼頭貨物的裝卸，造船廠船舶的施工與安裝及大型水電站建壩工程中。金屬結構在門座起重機的總重量中占有很大的比重，約占70%，金屬結構的大小對起重機零部件的尺寸和重量、能耗、軌道基礎和安裝等費用都有很大的影響，因此如何減輕金屬結構的重量顯得尤為重要。立柱及平衡系統在四連桿門座起重機正常工作的過程中扮演著重要的角色，為了使門座起重機正常的工作，同樣必須把立柱及平衡系統也設計好。有限元ANSYS做為一種結構分析軟件，被廣泛地應用于起重機金屬結構設計過程當中來。相對于以前傳統的設計方法，有限元分析更直接地把結構件各個截面的應力和位移表示出來，這是傳統的以力學和數學為基礎的半理論半經驗的設計方法所不能比擬的。

文章利用有限元分析軟件對MQ4030四連桿門座起重機的立柱及平衡系統進行應力及位移分析，通過應力云圖和位移云圖，來進行結構優化設計，從而進一步驗證設計的合理性，同時還可以大大縮短設計周期，降低生產成本，提高整機的經濟效益。

圖1 四連桿門座起重機CAD模型圖

圖2 四連桿門座起重機實物圖

1 立柱及平衡系統簡介

MQ4030四連桿門座起重機的立柱及平衡系統的金屬結構包括立柱、平衡梁及小拉桿。立柱采用的是箱形結構，材料為Q345B的鋼板，立柱與下面的轉臺直接焊接；平衡梁采用的也是箱形結構形式，材料為Q345B的鋼板，平衡梁支撐在立柱頂部橫梁上，平衡梁前端與拉桿通過鉸接相連，平衡梁的尾部設有活配重箱；小拉桿采用的是管子結構，材料為Q345B的無縫鋼管，小拉桿通過鉸接與臂架及平衡梁相連。

2 有限元模型的建立

利用有限元軟件ANSYS進行應力與位移分析時，首先要正確地建立有限元模型。由于在工程實際當中，實物都比較復雜，在建立有限元模型的時候有必要進行簡化。立柱及平衡系統金屬結構都是由鋼材焊接而成，在建模的過程當中忽略焊接的影響，認為焊縫都是符合要求的；把轉臺、組合臂架系統等視為剛體，立柱及平衡系統的變形與轉臺、組合臂架系統等無關，把立柱及平衡梁系統作為起重機的一部分拿出來單獨進行分析；鋼板及無縫鋼管材質都認為是均質，沒有制造偏差。

根據以上簡化的原則，在有限元分析軟件ANSYS中對立柱及平衡系統進行建模，并選取合適的單元進行受力模擬。①立柱及平衡梁屬于箱形結構，故采用Shell63單元來進行模擬。Shell63單元的每個節點具有6個自由度即沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動和沿節點坐標系X、Y、Z軸的轉動；②平衡系統中的小拉桿屬于管子結構，故采用Beam188單元模擬，Beam188是三維線性2節點梁單元，每個節點有6個自由度即節點坐標系的X、Y、Z方向的平動和繞X、Y、Z軸的轉動。

立柱及平衡系統的有限元模型如圖3所示。立柱及平衡梁系統金屬結構采用的材料均為Q345B，材料的彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.85×10-6kg/mm3。

圖3 立柱及平衡梁系統金屬結構有限元ANSYS模型

3 工況及組合載荷的施加

3.1 工況的確定

四連桿門座起重機工作幅度比較大工況比較復雜，通常計算需要考慮以下9個典型受力工況進行綜合分析：工況1，工作幅度為30m，起重量為25t，貨物側擺角度為12°，風垂直于臂架，單根鋼絲繩上的拉力F=9.66×104N；工況2，工作幅度為30m，起重量為25t，貨物側擺角度為8.4°，貨物外擺角度為7°，風平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=9.62×104N；工況3，工作幅度為30m，起重量為25t，貨物外擺角度為 10°，風平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=9.59×104N；工況 4，工作幅度為24m，起重量為40t，貨物側擺角度為12°，風垂直于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.32×104N；工況5，工作幅度為24m，起重量為40t，貨物側擺角度為8.4°，貨物外擺角度為7°，風平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.27×104N；工況6，工作幅度為24m，起重量為40t，貨物外擺角度為10°，風平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.32×104N；工況7，幅度為10m，起重量為40t，貨物側擺角度為12°，風垂直于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.32×104N；工況8，幅度為10m，起重量為40t，貨物內擺角度為10°，風平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.23×104N；工況9，幅度為10m，起重量為40t，貨物側擺角度為8.4°，貨物外擺角度為7°，風平行于臂架，單根鋼絲繩的拉力F=13.27×104N。

3.2 計算載荷與約束

限于篇幅的限制，文章僅以工況1為算例來進行分析。根據作業情況，對立柱與轉臺焊接處施加相應的位移約束，即約束住沿坐標系X、Y、Z軸的平動和沿坐標軸X、Y、Z軸的轉動。立柱及平衡系統所受的力包括：①由組合臂架剛性拉桿所提供的拉力NL；②由變幅機構中齒條或螺桿傳來的軸向力SP；③由活動配重對變幅平衡梁的作用力NZ；④立柱及平衡系統的自重PGR；⑤臂架對小拉桿的拉力FN；⑥由起升繩在導向滑輪上的合力（壓力）SQ；⑦超載限制器支座的作用力SC；⑧立柱及平衡系統所受的風載荷PWR；⑨立柱及平衡系統所受的慣性力PrR。現建立如圖4所示的坐標系，計算載荷的具體處理方案為：①組合臂架剛性拉桿施加給立柱的水平方向的力NLX=1.93×106N，豎直方向的力NLY=1.25×106N，繞Z軸的彎矩MNL=-2.37×109Nmm；②由變幅機構中的齒條或螺桿傳給立柱水平方向的力SPX=1.86×105N，豎直方向的力SPY=-4.62×104N，繞Z軸的彎矩MSP=-1.78×108Nmm；③活動配重對變幅平衡梁的作用力NZ=NY=-5.1×105N；④計入起升沖擊系數影響的立柱及平衡系統自重載荷PGR以重力加速度的方式施加，起升沖擊系數ψ1=1.51（抓斗工況），重力加速度為g=9800mm/s，故施加的加速度為a=1.51×9800=14798mm/s；⑤臂架對小拉桿水平方向的拉力FNX=8.58×105N，臂架對小拉桿豎直方向的拉力FNY=-7.2×105N；⑥起升繩在導向滑輪上的壓力水平方向上的分力SQX=2.0×105N，在豎直方向上的分力SQY=-1.89×105N；⑦超載限制器支座的作用力在水平方向上的分力SCX=4.29×104N，在豎直方向上的分力SCY=-0.87×104N；⑧立柱及平衡系統所受的其他力PWR、PrR相對于其他力來說比較小，在這里忽略不計。 立柱及平衡系統所受載荷及約束如圖5所示。

圖4 坐標系

圖5 立柱及平衡系統所受載荷及約束圖

4 仿真結果及分析

根據上述計算工況和約束條件對有限元模型進行計算，計算結果如圖6～圖8所示，立柱及平衡系統金屬結構最大應力為211.7MPa，金屬結構所用材料為Q345B，材料的屈服強度σs=345MPa，根據GB/T3811-2008規定，取安全系數n=1.34，所以材料的的許用應力［σ］=σs/n=257MPa，所以立柱及平衡系統金屬結構強度滿足材料許用應力的要求；立柱與平衡系統金屬結構最大位移為50mm，金屬結構的許用撓度［f］=65mm，所以立柱及平衡系統金屬結構剛度同樣也滿足規范要求。

圖6 立柱及平衡系統整體應力分布圖

圖7 立柱及平衡系統應力局部放大圖

圖8 立柱及平衡系統整體位移分布圖

5 結語

（1）在建模的過程當中對立柱及平衡系統金屬結構進行了適當的簡化，不可避免會出現應力集中的現象，所以用有限元軟件分析出來的應力要比工程實際當中的偏大。限于篇幅的限制，這里僅僅列舉了一種工況，其他各種工況經過有限元的分析，應力和位移同樣是滿足規范要求。

（2）對立柱及平衡系統金屬結構有限元分析的結果，進一步驗證有限元ANSYS做為一種金屬鋼結構的分析軟件，能夠比較精確的分析金屬結構的強度與剛度，為理論計算提供一種比較方便快捷的校核方法；并且有些金屬結構過于復雜，很難通過手算計算出來，有限元計算軟件ANSYS就很好地彌補了手算的不足。同時根據金屬結構的應力云圖和位移云圖，可以清楚地找到各個位置的應力和位移，為立柱及平衡系統金屬鋼結構優化設計提供理論依據，從而更好地提高整機的經濟效益。

［1］孫楓，張振雄，余賀元，等.港口起重機設計規范［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］張質文，王金諾，程文明，等.起重機設計手冊［M］.北京：中國鐵道出版社，2013.

［3］GB/T3811-2008，起重機設計規范［S］.北京：中國標準出版社.