有限元分析在橋式起重機(jī)主梁局部穩(wěn)定性校核中的應(yīng)用*

何山 黃國健 陳敏

有限元分析在橋式起重機(jī)主梁局部穩(wěn)定性校核中的應(yīng)用*

何山 黃國健 陳敏

（廣州特種機(jī)電設(shè)備檢測研究院）

局部穩(wěn)定性是橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)承載能力的重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要進(jìn)行局部穩(wěn)定性校核。主梁局部穩(wěn)定性計(jì)算方法在GB3811—2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中有詳細(xì)規(guī)定，但其計(jì)算公式需已知主梁腹板邊緣的應(yīng)力大小；采用傳統(tǒng)計(jì)算方法較為復(fù)雜耗時(shí)，一般需要2 d~3 d，且常由于計(jì)算模型簡化較大，導(dǎo)致計(jì)算精度不高。采用有限元分析能獲取結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，并從有限元分析結(jié)果中直接提取應(yīng)力值進(jìn)行主梁局部穩(wěn)定性校核，整個(gè)過程可在0.5 d內(nèi)完成，且提高了計(jì)算精度。

橋式起重機(jī)；有限元；局部穩(wěn)定性

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的廣泛應(yīng)用，目前起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大都采用有限元分析[1-3]。提高主梁局部穩(wěn)定性的措施一般是增加加強(qiáng)筋或橫隔板[4]，具體增加的數(shù)量或間隔需要通過局部穩(wěn)定性校核確定。加強(qiáng)筋或橫隔板計(jì)算不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致大量的材料浪費(fèi)，因此提高其計(jì)算精度具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。有限元軟件提供了針對(duì)局部穩(wěn)定性的線性屈曲或非線性屈曲功能[5]，但其計(jì)算結(jié)果尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參照，缺乏依據(jù)。有研究表明有限元計(jì)算方法比傳統(tǒng)計(jì)算方法具有更高的精度[6-8]。本文通過有限元分析提取局部應(yīng)力，較采用傳統(tǒng)計(jì)算方法校核局部穩(wěn)定性，提高了計(jì)算精度，且計(jì)算過程符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)。

1　起重機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

本文以QD150-50橋式起重機(jī)為例進(jìn)行局部穩(wěn)定性校核，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2　載荷與工況

2.1　載荷與載荷系數(shù)

為安全起見，將主鉤和副鉤起升動(dòng)載系數(shù)適當(dāng)放大，取1.15。

表1　主要技術(shù)參數(shù)

2.1.3 結(jié)構(gòu)自重G

2.1.4 小車自重

將小車與小車軌道的接觸簡化為4個(gè)點(diǎn)，小車自重以載荷的形式施加在這4個(gè)點(diǎn)上。小車自重為，則施加在4點(diǎn)的平均載荷為/4。

圖1　小車載荷示意圖

2.1.5 額定載荷

小車額定載荷和小車自重一樣，以載荷的形式施加在小車與小車軌道的接觸處。計(jì)算時(shí)，額定載荷包括吊鉤質(zhì)量，其中主鉤0=5.1 t，副鉤0=1.354 t。

2.1.6 小車起制動(dòng)產(chǎn)生的水平慣性載荷

2.1.7 大車起制動(dòng)產(chǎn)生的水平慣性載荷

1）大車起制動(dòng)時(shí)，滿載小車產(chǎn)生的水平慣性載荷

2）大車制動(dòng)時(shí)，橋架產(chǎn)生的水平慣性載荷

2.1.8 大車歪斜運(yùn)行時(shí)水平側(cè)向力

2.2　載荷組合與工況

根據(jù)GB3811—2008起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定，需對(duì)5種工況下主梁的強(qiáng)度與穩(wěn)定性進(jìn)行校核：1）小車位于主梁中間位置，起升最大載荷，考慮起升沖擊系數(shù)、起升動(dòng)載系數(shù)、結(jié)構(gòu)自重和大車起制動(dòng)產(chǎn)生的水平慣性載荷；2）小車位于跨端極限位置，起升最大載荷，考慮起升沖擊系數(shù)、起升動(dòng)載系數(shù)、結(jié)構(gòu)自重和大車歪斜運(yùn)行時(shí)水平側(cè)向力；3）僅用于校核結(jié)構(gòu)下?lián)隙龋豢紤]小車以外起重機(jī)部分的重力，小車位于中間位置，起升最大載荷；4）校核主鉤滿載時(shí)小車金屬結(jié)構(gòu)，起升最大載荷，考慮起升沖擊系數(shù)、起升動(dòng)載系數(shù)、小車自重和水平慣性載荷；5）校核副鉤滿載時(shí)小車金屬結(jié)構(gòu)，起升最大載荷，考慮起升沖擊系數(shù)、起升動(dòng)載系數(shù)、小車自重和水平慣性載荷。

工況1）情況下，主梁出現(xiàn)最大應(yīng)力，進(jìn)行局部穩(wěn)定性校核時(shí)應(yīng)取工況1）的有限元結(jié)果進(jìn)行計(jì)算。

3　有限元模型與強(qiáng)度校核

根據(jù)主梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇Shell63單元作為主要建模單元。建模步驟：1）基于Solidworks平臺(tái)建立以面為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)；2）將Solidworks文件另存為IGES格式，導(dǎo)入Hypermesh前處理模塊，進(jìn)行面的分割與聯(lián)結(jié)；給面賦予板厚和單元屬性，完成有限元單元生成；3）從Hypermesh導(dǎo)出cdb格式文件至Ansys軟件進(jìn)行有限元分析。有限元模型如圖2、圖3所示。

圖2　整機(jī)有限元模型

圖3　主梁端部倒角處局部板厚

工況1）有限元分析結(jié)果如圖4、圖5所示。圖4位移變形圖顯示主梁中部發(fā)生最大位移變化為

圖5　整機(jī)應(yīng)力云圖

4　主梁局部穩(wěn)定性校核

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，需要對(duì)主梁上蓋板和兩側(cè)腹板進(jìn)行局部穩(wěn)定性校核，主梁跨中截面如圖6所示。

圖6　主梁跨中截面簡圖

局部穩(wěn)定性校核涉及的參數(shù)符號(hào)如表2所示。

表2　參數(shù)符號(hào)的含義

以上蓋板局部穩(wěn)定性校核為例進(jìn)行說明，提取有限元分析結(jié)果，上蓋板應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7　上蓋板應(yīng)力分布圖

局部穩(wěn)定性計(jì)算過程如下：

5　結(jié)論

本文對(duì)橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，從有限元分析結(jié)果中直接提取應(yīng)力值進(jìn)行主梁局部穩(wěn)定性校核，將校核時(shí)間由2~3個(gè)工作日減少為0.5個(gè)工作日，提高了計(jì)算效率，且精度更高。

[1] 黃靈峰,侯振寧,田洪根,等.基于有限元法的橋式起重機(jī)主梁結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化[J].中國儀器儀表,2018(3):48-51.

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[4] 潘俊萍.橋式起重機(jī)主梁局部穩(wěn)定性分析[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2013(12):67-70.

[5] 徐興偉,胡曉兵,武韶敏,等.45 t輕量化門式起重機(jī)的優(yōu)化及局部屈曲研究[J].起重運(yùn)輸機(jī)械,2016(6):67-71.

[6] Zhang Lufan, Ma Bing, Wu Jun, et al. Finite Element Analysis of Main Girder in Bridge Crane Considering Thermal-mechanical Coupling Deformation[C]. Proceedings of the 2018 3rd Joint International Information Technology，Mechanical and Electronic Engineering Conference (JIMEC 2018),2018.

[7] Jiang Yefeng. Analysis on the Rail Gnawing Force of Bridge Cranes——A Study Based on Finite Element Technology[C]. Proceedings of 2018 2nd International Conference on Systems, Computing and Applications(SYSTCA 2018),2018.

[8] He Yibin, Zhang Yu, Yang Bingkuan, et al. Finite Element Analysis in Dynamic Conditions of Bridge Crane Beam[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 331:70-73.

Application of Finite Element Analysis in Local Stability Check of Main Girder of Bridge Crane

He Shan Huang Guojian Chen Min

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

Local stability is an important parameter of bearing capacity of bridge crane structure. The calculation method for the local stability of the main beam is specified in detail in GB3811—2008, but the calculation formula needs to know the stress magnitude of the web edge of the main beam. The traditional calculation method is complicated and time-consuming, which generally requires 2-3 working days, and is not accurate. The finite element analysis can obtain the stress distribution cloud map of the structure, and the direct extraction of the stress value from the finite element analysis results for the local stability check of the main beam can be completed within half a working day, and the calculation accuracy is improved.

Bridge Crane; Finite Element; Local Stability

何山，男，1987年生，碩士學(xué)位，工程師。主要研究方向：起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)技術(shù)研究。Email: heshan321@163.com

廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2018CT32）；廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項(xiàng)目（2018KJ10）。