橋式起重機箱形主梁優化設計軟件

薛鵬

摘 要：現今橋式起重機在各行各業中被廣泛的使用。橋式起重機主要是由橋架、大車行走機構和起重小車等組成，現階段使用的橋式起重機大都是沿用20世紀60年代后期產生的箱型主梁結構。在橋式起重機的中箱型主梁也是其重要的組成部分，是整個機械重量的百分之六十，所消耗的成本也占到了總成本的百分之五十左右。隨著科學技術的不斷提高和實際應用的要求不斷的提升，起重機的在成本制造和工作效率上的問題日益明顯，因此如何解決以上問題，對加速我國起重機行業發展有重要的意義。本文主要就橋式起重機箱形主梁優化設計軟件方面內容展開了分析探討，以供參閱。

關鍵詞：橋式起重機；箱形主梁；優化設計；軟件

1箱形梁橋式起重機主梁結構分析

1.1分析主梁參數

建立主梁參數模型需要依靠ANSYS軟件的參數化設計語言和有限元模塊分析導重法結合，在有效節約時間方便優化過程基礎上，實現參數建模優化設計等一系列任務。雙梁橋架的兩個箱形梁完全相同，且對稱分布，在ANSYS軟件中建模分析時，可以采取較大受力的一根箱形梁進行單獨分析，從而有效節約時間。根據箱形梁的結構和尺寸，以及材料類型，可以建立箱形梁的密度、泊松比和彈性的數據庫。ρ=7.8×103kg/m3，μ=0.3，E=206GPa。此外，將箱形梁的其他參數，如加筋板的數量、上腹板和下腹板的厚度、左右側板的厚度、側板的高度和主梁的長度等作為建模的參數，可以使建模更加立體和完整，得到的數據更加可靠和具有說服力。

1.2劃分主梁網格

劃分網格是建立主梁參數化模型后，在有限元分析中的重要環節。網格劃分優劣程度和質量水平能直接影響計算過程和計算結果。由于本文中所涉及的箱形主梁結構簡單，因此在劃分網格時可以采用方便控制單元與節點數的手工劃分方式，并且此種方式能有效保證劃分質量。取一單位面積為1×1m2的主梁，將其按照十等分劃分方式，最終得到若干網格和節點。

1.3箱形梁分析

隨著主梁兩端做橫向運動的主梁被螺栓固定，因此在主梁兩端固定處加以約束可以得到主梁的加載方式分為四種情況：第一，小車在起重機滿載時位于主梁最左制動，制動加速度為a；第二，吊物荷載位置與工作位置相同，在起重機滿載情況下，該位置與兩根主梁在同一平面內制動，制動加速度為a；第三，主梁中心部位被最大輪壓作用，起重機滿載輪壓方向與主梁自重同向制動，制動加速度為a；第四起重機空載主梁制動，制動加速度為a。

2箱形梁腹板的優化設計

優化設計的橋架結構主要包括單主梁橋架、空腹橋架以及波形腹板，其中波形腹板是橋梁起重機箱形梁中平直腹板優化設計的結果，通過設定波形腹板的波形變化規律，來擴大腹板的承載面積。橋式起重機箱形梁腹板所承受的壓力來自兩個方面，首先是平面壓力，也是主要的壓力，其次為彎矩荷載作用。而在受力面積相同的條件下，平直腹板同波形腹板相比受壓能力較差。雖然隨著箱形梁平直腹板轉變為波形腹板，腹板豎直方向上的穩定性有所提高，腹板的自身重量也相對減少，但是腹板水平剛度同波形腹板之間的抗扭剛度也會因此而減小，導致該部位成為薄弱的環節，影響到橋式起重機的性能，故而，必須對箱形梁的腹板進行優化配置，在減輕箱形梁自身重量的同時提高起重機性，現就對以下幾種配置方案進行研究。（1）一個波形腹板和一個平直腹板。在水平方向上，波形腹板的剛度小于平直腹板，在垂直方向上，波形腹板的剛度大于平直腹板，此種設計方案同時考慮到了平直腹板和波形腹板的優點和缺點，應用折中的設計思路，使得二者在垂直方向和水平方向的剛度到達更好的狀態，是比較理想優化設計方案，可應用于實際操作中。（2）兩個波形腹板通向配置。采用兩個波形腹板通向配置的方案時，由于兩個腹板之間有相位差，使得該方案的缺點較大。在此方案中，兩個波形腹板的水平剛度與抗扭剛度均不是理想狀態，這就導致在大車運行過程中，橋式起重機的水平方向上的沖擊力過大而且箱形梁主梁的水平剛度減小，造成主梁產生較大的形變，嚴重影響到橋式起重機的性能，甚至引發安全事故。故而此種方案在橋式起重機的設計和實際應用中是不允許的，不符合實際應用的要求。（3）兩種波形腹板反向配置。兩個波形腹板的反向配置會導致兩個腹板之間距離的不斷改變，從而導致腹板水平方向上的剛度均勻性受到影響，影響整個箱形梁的穩定性，故而，該方案的也不建議在實際作業中應用。由以上三種腹板配置方案可以看出，波形腹板雖然受壓能力大于平直腹板，但是僅采用兩個波形腹板，不管是通向配置還是反向配置都是不可取的，只有將一個平直腹板和一個波形腹板結合使用才能使垂直和水平剛度達到最好的狀態，從而更好地應用于實際。

3主梁優化設計軟件開發

對主梁優化設計，以軟件的形式集成起來配以簡潔的界面、方便的操作和形象化的結果輸出就能極大地方便設計人員進行橋式起重機的設計研究。因此本文將運用面向對象的程序設計方法，選擇Delphi7.0開發主梁的設計軟件。（1）登陸窗體的建立。（2）主梁優化設計計算窗體的建立。該計算窗體及內部的程序為優化設計軟件的核心部分。計算窗體表單上包含對起重機優化設計時所需要的一些起重機的基本參數，如起重機跨度、起重機工作級別、起重量、主梁材料等；也包含起重機優化設計前的一些參數，如原主梁自重、小車軌距、小車輪距、大車輪距、運行機構自重、端梁尺寸等；還包括對設計變量的一些約束，如主梁腹板高厚比、腹板工藝所要求的厚度最大最小值等。為便于進行優化設計計算，本軟件還人為的對設計變量（此處設計變量是指主梁的上下蓋板厚，左右腹板厚，左右腹板內間距等）進行上下界的確定，初始點的選取等。其中優化設計計算程序依據SUMT-POWELL程序框圖進行。該計算窗體下又有小車軌道選擇子窗體、端梁尺寸輸入子窗體以及結果顯示子窗體。

結束語

綜上所述，在橋式起重機箱形梁中波形腹板的受力情況優于平直腹板，而在設計過程中，采用一個平直腹板和一個波形腹板的配置方案更加適用于實際應用。經分析，兩種腹板有各自的優缺點，因此在橋式起重機箱形梁的優化設計中要進行綜合考慮，節約材料，減少起重機自身重量，在最大程度上提高橋式起重機的性能，同時也要保證起重機的安全系數符合實際操作。

參考文獻：

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