黃金輝

摘要：以CS300t門式起重機為例，采用軟件ANSYS建立其整機結(jié)構(gòu)有限元模型，在理想的情況下，進行幾種工況下的應(yīng)力計算，得到額定最大載荷作用下起重機的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，并以此有限元強度分析方法為據(jù)優(yōu)化設(shè)計，指導(dǎo)起重機的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：門式起重機；有限元計算；強度分析

引言

由于大型起重機械在港口作業(yè)中的重要性質(zhì)，對起重機械提出了更高的安全行和可靠性要求。門式起重機的金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計及力學(xué)性能對門式起重機的工作至關(guān)重要的影響。目前門式起重機的設(shè)計校核多采用材料力學(xué)的簡化方法，這種方法的最大有點是計算量小且使用方便，但其缺點也是比較明顯，精確度不高，結(jié)構(gòu)的強度、剛度和穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)不夠充分。而有限元分析方法得在三維模型的基礎(chǔ)上，真是的反映門式起重機復(fù)雜載荷情況，因此近年來在起重機設(shè)計中的應(yīng)用越來越多。

一、門式起重機有限元建模

（一）門式起重機主要參數(shù)

CS300門式起重機主要參數(shù)如下：

表1 CS300t門式起重機參數(shù)表

圖1 CS300t門式起重機總圖

（二）有限元模型建立。CS300t造船門式起重機是用鋼板焊接而成的箱型結(jié)構(gòu)，所以采用板單元SHELL63模擬起重機的板結(jié)構(gòu)，用梁單元BEAM188模擬起重機的龍筋及管結(jié)構(gòu)。整體模型單元格長度為200，網(wǎng)格數(shù)量為136297，節(jié)點數(shù)為130414。

圖2 整機有限元模型圖

柔性支腿與主梁之間是通過推力軸承的鏈接，推力軸承承接主梁與柔性腿，可以使柔性支腿在垂直方向自由旋轉(zhuǎn)見圖3。在有限元的模型中用LINK8單元模擬推力軸承的受力形式，LINK8單元特性是只能傳遞拉力或者壓力。

圖3 柔腿與主梁的鏈接

二、結(jié)構(gòu)強度分析

（一）載荷處理及工況選擇

作用在該門式起重機上的載荷主要有：起重機金屬結(jié)構(gòu)的自重，大、小車運行制動產(chǎn)生的慣性載荷，起升、下降制動的慣性載荷、風(fēng)載，小車自重及額定起重量，其它設(shè)備如電梯、操作室的自重等。

根據(jù)門式起重機實際工作狀況，剛性支腿和主梁整體整體建模，柔性腿和主梁采用二力桿模擬推力軸承連接形式。具體約束方式見表2所示。起升載荷以均布載荷形式施加到主梁的相應(yīng)位置上，風(fēng)載以均布載荷施加到模型中，結(jié)構(gòu)自重根據(jù)材料特性由有限元自動求解施加到結(jié)構(gòu)中。

表2 約束用表（注：1表示約束；0表示釋放）

圖4 臺車分布示意圖

對該起重機按照第二類載荷組合，即起重機正常工作條件下的最大載荷進行強度計算。結(jié)構(gòu)主要部件均采用Q345C鋼；按第二類載荷組合計算時，安全系數(shù)取1.34則Q345C鋼的許用應(yīng)力為257MPa。

該起重機有關(guān)計算參數(shù)如下：

上小車自重180000kg；

下小車自重110000kg；

結(jié)構(gòu)總重972000kg；

起升沖擊系數(shù)φ1=1.12；

起升動載系數(shù)φ2=1.1；

彈性模量：E=206000（MPa）；

泊松比：μ=0.3；

密度7.85x10-9t/mm3；

該起重機計算載荷按照載荷組合分為以下三種：

計算工況1：跨中載荷，上小車各承載150t，下小車承載150t，上下小車相距10m考慮整機自重，1.25倍最大靜載加載，計算整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移；

計算工況2：柔腿側(cè)吊載，上小車吊載位置距離柔腿中心線9.5米處， 上小車承載150t，下小車承載150t，上下小車相距10m考慮自重載荷、慣性載荷，1.25倍最大靜載加載，計算整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移；

計算工況3：跨中載荷，上小車各承載150t，下小車承載150t，上下小車相距10m，垂直地面有2.5°偏載，風(fēng)載風(fēng)速21m/s，計算整機結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移。

（二）應(yīng)力計算及位移計算結(jié)果

由于篇幅的限制本文只列出工況1應(yīng)力云圖及位移云圖：

圖5a 工況1整體應(yīng)力分布云圖 圖5b 工況1局部應(yīng)力分布云圖

圖6a 工況2整體垂直方向位移 圖6b 工況2整體水平方向位移

表3三種工況應(yīng)力計算結(jié)果

由表3可看出，3個工況整個結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為209MPa，小于材料的許用應(yīng)力。

表4三種工況位移計算結(jié)果

主梁最大計算靜撓度：

式中——主梁初始上拱度，mm。

考慮該起重機起升最大額定起重量（300t）的工作次數(shù)較少，在計算起重機由額定起重量和小車自重在主梁跨中引起的垂直靜撓度時按工作級別A3～A4考慮，故垂直靜撓度應(yīng)不大于S/700。該起重機跨度S=80000mm，s/700=114.3mm，所以結(jié)構(gòu)靜剛度滿足要求。

三、結(jié)論

本文利用ANSYS有限元分析軟件對門式起重機不同工況的結(jié)構(gòu)靜強度和靜剛度進行了分析，得到結(jié)構(gòu)靜強度和靜剛度，通過計算強度和剛度滿足設(shè)計要求。

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