基于Pro/E有限元分析的起重機(jī)檢修通道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

盛珍貴 李偉 許鐵巧 鄭洪權(quán)

摘 要：輪式起重機(jī)作為工程機(jī)械的重要產(chǎn)品門類，因其整機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣，對檢修保養(yǎng)的工況需求也頻繁。因此維保人員的作業(yè)安全顯得至關(guān)重要。基于安全和可檢修性設(shè)計(jì)理念驅(qū)動(dòng)下，對檢修通道支架進(jìn)行Pro/E三維建模，同時(shí)運(yùn)用Pro/E Mechanica結(jié)構(gòu)分析模塊加載極限條件，進(jìn)行應(yīng)力靜態(tài)分析和敏感度分析，針對性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在提升強(qiáng)度的同時(shí)，降低支架的重量實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：支架;有限元;優(yōu)化

輪式起重機(jī)檢修通道是保障檢修人員安全承載部件，主要由支架和通道結(jié)構(gòu)組成。支架作為承重的關(guān)鍵部件，一旦失效對維保人員的安全將帶來風(fēng)險(xiǎn)。所以，檢修通道支架的可靠性設(shè)計(jì)是輪式起重機(jī)維修通道設(shè)計(jì)的重要工作。對承載安全的精準(zhǔn)的量化設(shè)計(jì)已成為行業(yè)所面對的重要課題，這就需要對有限元設(shè)計(jì)分析的仿真手段掌握和應(yīng)用。

目前，行業(yè)應(yīng)用的有限元仿真分析工具種類比較豐富，相比較而言，Pro/E軟件中自帶的Mechanica具有以下應(yīng)用優(yōu)勢可以發(fā)揮：（1）實(shí)際應(yīng)用周期短，可以提高應(yīng)用效率，幫助研發(fā)快速進(jìn)行強(qiáng)度校核;（2）分析精度可以得到保證;分析結(jié)果可行度比較高，對于趨勢的研究采信度高，有利于做出定性結(jié)論的推斷;（3）適應(yīng)多工況計(jì)算的要求;（4）可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，進(jìn)行系列產(chǎn)品的分析。（5）簡單容易上手，在工程技術(shù)人員中有比較廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)。基于上述優(yōu)勢，本文采用Pro/E Mechanica作為工具，對輪式起重機(jī)檢修通道支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)用研究。

Pro/MECHANICA的設(shè)計(jì)研究種類可以分為以下3種類型。即：

標(biāo)準(zhǔn)分析：最基本、最簡單的設(shè)計(jì)研究類型，至少包含一個(gè)分析任務(wù)。在此種設(shè)計(jì)研究中，用戶需要指定幾何模型、劃分有限元網(wǎng)格、定義材料、定義載荷和約束、定義分析類型和計(jì)算收斂方法、計(jì)算并顯示結(jié)果。

靈敏度分析：可以根據(jù)不同的目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)或者物性參數(shù)的改變計(jì)算出一些列的結(jié)果。除了進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)分析的各種定義外，用戶需要定義設(shè)計(jì)參數(shù)、指定參數(shù)的變化范圍。用戶可以用靈敏度分析來研究哪些設(shè)計(jì)參數(shù)對模型的應(yīng)力或質(zhì)量影響較大。

優(yōu)化設(shè)計(jì)分析：在基本標(biāo)準(zhǔn)分析的基礎(chǔ)上，用戶指定研究目標(biāo)、約束條件、設(shè)計(jì)參數(shù)，然后在參數(shù)的給定范圍內(nèi)求解出滿足研究目標(biāo)和約束條件的最佳方案。

因此，概括的說，Pro/MECHANICA Structure能夠完成的任務(wù)可以分為兩大類，即：

設(shè)計(jì)校核和模型優(yōu)化，后者是Pro/MECHANICA區(qū)別與其他有限元軟件最顯著的特征。

1失效模式分析

通過對支架結(jié)構(gòu)三維建模，并進(jìn)行有限元分析，來總結(jié)可能存在的失效模式。

1.1網(wǎng)格劃分

本文利用Pro/E軟件構(gòu)造檢修通道支架結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型，建模過程中要忽略支架上的一些安裝輔助結(jié)構(gòu)，同時(shí)，將安裝孔、倒角等特征進(jìn)行實(shí)體化處理，簡化幾何模型，避免網(wǎng)格劃分出錯(cuò)，提高網(wǎng)格劃分效率及計(jì)算效率。并通過Pro/E Mechanica自帶的網(wǎng)格劃分模塊對支架進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.2材料與屬性

通常檢修通道支架所用材料為Q235B，其屈服強(qiáng)度為235MPa，抗拉強(qiáng)度370 MPa，彈性模量E為210GPa，泊松比μ為0.3。通過軟件中的“材料”進(jìn)行定義，將上述數(shù)值輸入對應(yīng)文本框后，賦予所建的三維模型即可。

1.3載荷與約束條件

根據(jù)支架的實(shí)際使用工況，應(yīng)用Pro/E Mechanica中“約束”命令對支架安裝孔的6個(gè)自由度進(jìn)行約束固定。并在支架上平面施加載荷，力的選擇是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定“蓋板、梯子等承載類的部件應(yīng)滿足2000N的力通過直徑125mm的圓盤施加在承載面的上平面，無永久變形”。

1.4計(jì)算與分析結(jié)果

如圖2所示，通過Pro/E Mechanica軟件建立靜態(tài)分析，計(jì)算出支架的應(yīng)力云圖，得出最大應(yīng)力為800 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于材料的屈服極限值。由于Pro/E Mechanica網(wǎng)格劃分相對粗糙，且未考慮焊縫，根據(jù)平時(shí)的對比分析經(jīng)驗(yàn)，此處理方式分析結(jié)果偏大，此應(yīng)力云圖只能說明此處應(yīng)力值相比其它處偏大，不代表其真實(shí)應(yīng)力值。

通過3所示，通過Pro/E Mechanica軟件建立全局敏感度分析，得到應(yīng)力敏感變化曲線圖，得出支架應(yīng)力變化隨彎板的豎截面變化而變化，可知，支架應(yīng)力對支架豎截面尺寸敏感。

2.5分析結(jié)論

通過Pro/E Mechanica對支架進(jìn)行受力分析得出的應(yīng)力云圖，不難得出結(jié)論：支架根部應(yīng)力最高，且支架承受應(yīng)力的水平與豎截面呈正相關(guān)。

2改進(jìn)設(shè)計(jì)

考慮在降低材料重量的同時(shí)合理改變局部結(jié)構(gòu)來降低應(yīng)力，運(yùn)用敏感度分析的結(jié)果，對支架的豎截面尺寸及局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，如下圖所示，改進(jìn)后的支架模型采用與改進(jìn)前相同的網(wǎng)格劃分模式，并施加相同的載荷，以便進(jìn)行結(jié)果對比分析。通過云圖可知支架根部的最大應(yīng)力為80MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

3結(jié)論

應(yīng)用Pro/E Mechanica有限元分析在維修通道設(shè)計(jì)階段進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，可有效提高了維保通道的可靠性，對設(shè)計(jì)效率提升、輕量化水平的貢獻(xiàn)也顯而易見。

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