基于Solidworks的原木吊裝橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)研究

劉 清，魏占國(guó) ，周振興

（1.湖南建筑高級(jí)技工學(xué)校，湖南 長(zhǎng)沙 410015；2.中南林業(yè)科技大學(xué) a.物流與交通學(xué)院；b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

林業(yè)機(jī)械是指有益于林業(yè)生產(chǎn)過(guò)程機(jī)械化的設(shè)備，具體是指用于造林、育林、護(hù)林、木材切削和林業(yè)起重運(yùn)輸?shù)臋C(jī)械。橋式起重機(jī)作為林業(yè)起重運(yùn)輸機(jī)械中的代表，在木材堆場(chǎng)過(guò)程中起著重要的作用，它是在林業(yè)生產(chǎn)中使用廣泛、通用化程度高、數(shù)量最多的林業(yè)機(jī)械。

原木是指原條長(zhǎng)向按尺寸、形狀、質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定或特殊規(guī)定截成一定長(zhǎng)度的木段，有帶皮和不帶皮的，屬于一種長(zhǎng)、大、笨、重的貨物，成捆后利用起重機(jī)配合鋼絲繩或抓斗進(jìn)行運(yùn)輸。在原木吊裝過(guò)程中，受原木自身屬性的影響，橋式起重機(jī)整體施力較復(fù)雜?？紤]到橋式起重機(jī)最主要且最重要的部件是橋架，因此有必要找出極限荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小和分布情況，并進(jìn)一步靜力分析結(jié)構(gòu)薄弱部位，找出可能的優(yōu)化方法[1]。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于橋架結(jié)構(gòu)這一類的機(jī)械結(jié)構(gòu)，有著許多傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，但是這些傳統(tǒng)方法都有著自己的弊端，例如可以使用力學(xué)解析方法來(lái)分析機(jī)械結(jié)構(gòu)的受力情況，但是力學(xué)解析方法采用公式多，計(jì)算過(guò)程易出錯(cuò)，且最終結(jié)果不易精確，對(duì)于構(gòu)件的真實(shí)受力情況難以如實(shí)反映，當(dāng)橋架內(nèi)部加筋板布置過(guò)于復(fù)雜時(shí)，計(jì)算難度大大提升，甚至無(wú)法求解。在目前計(jì)算機(jī)迅速發(fā)展的背景下，可以利用相關(guān)有限元分析軟件進(jìn)行橋架結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。該方法較傳統(tǒng)方法，具有方便、快捷、求解相對(duì)準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)[2]。

常見(jiàn)的有限元分析軟件有ANSYS,SDRC/I-DEAS等，它們存在著建模困難，力學(xué)分析操作難度大等問(wèn)題，雖然對(duì)外部三維建模軟件開(kāi)放了接口，但在各軟件間數(shù)據(jù)互導(dǎo)時(shí)存在一定的兼容問(wèn)題，導(dǎo)致有限元分析結(jié)果不準(zhǔn)確或者其他問(wèn)題[3]。為此，本研究針對(duì)橋式起重機(jī)這一林業(yè)機(jī)械使用Solidworks軟件進(jìn)行建模，Solidworks Simulation插件進(jìn)行有限元分析，所有操作都在一個(gè)軟件內(nèi)完成，快速便捷地得到在實(shí)際極限荷載作用狀況下橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大小和分布情況。研究過(guò)程和結(jié)果可為原木吊裝橋式起重機(jī)的橋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考，更為以后快速分析原木吊裝橋式起重機(jī)受力情況、并對(duì)起重機(jī)承載能力可靠性快速評(píng)估指明方向。

1 原木吊裝橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 原木吊裝橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)

橋架主要由主梁、端梁和小車等部件構(gòu)成，各部件主要尺寸參數(shù)根據(jù)生產(chǎn)需要各不相同，如圖為原木吊裝橋式起重機(jī)的橋架部分。

圖1中原木吊裝橋式起重機(jī)利用鋼絲繩，將原木成捆堆放于木場(chǎng)中，起重小車在主梁上方運(yùn)行，且設(shè)有走欄，操作駕駛室等，設(shè)計(jì)等相關(guān)復(fù)雜。其橋架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)的原木吊裝橋式起重機(jī)Fig.1 On-site log hoisting bridge crane

圖2 橋架的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of bridge structure

1.2 橋架結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)

參考某型橋式起重機(jī)，選定橋梁主梁的結(jié)構(gòu)為起重機(jī)廣泛運(yùn)用的正軌箱形雙梁，整個(gè)橋架結(jié)構(gòu)對(duì)稱處理，主要參數(shù)[4]如下所示：

表1 橋架結(jié)構(gòu)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of bridge structure

主梁的主要尺寸，如圖3所示。

圖3 主梁的尺寸參數(shù) mmFig.3 Size parameters of main beam

圖4 主梁A-A截面尺寸參數(shù) mmFig.4 Size parameters of A-A cross section of main beam

圖5 主梁B-B截面尺寸參數(shù) mmFig.5 Size parameters of B-B cross section of main beam

1.3 橋架結(jié)構(gòu)的三維建模

為便于后續(xù)分析處理，忽略橋架主梁上的筋以及欄桿等細(xì)節(jié)，根據(jù)橋架結(jié)構(gòu)的主要尺寸參數(shù)，利用Solidworks軟件可以建立如下幾何模型：

圖6 橋式起重機(jī)橋架等軸測(cè)圖像Fig.6 Axonometric drawing of bridge frame of bridge crane

2 橋架結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1 橋架材料特性

本橋架所采用的材料為普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235B[5]，該材料的力學(xué)性能特性，如表2所示。

表2 橋架材料特性Table 2 Material characteristics of bridge frame

2.2 有限元模型的建立

將模型以基于曲率的網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，雅克比點(diǎn)定為4點(diǎn)，網(wǎng)格單元大小為157.713 mm，網(wǎng)格品質(zhì)為高品質(zhì)，節(jié)點(diǎn)數(shù)共計(jì)67 935個(gè)，單元總數(shù)為34 679個(gè)，網(wǎng)絡(luò)的其他參數(shù)均處于比較好的狀態(tài)，得到以下有限元模型：

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

2.3 載荷組合與約束分析處理

為簡(jiǎn)化運(yùn)算，本研究只考慮自重載荷和起升載荷形成的載荷組合，為分析極限受力情況，假定起重小車正處于跨中進(jìn)行滿載工作，其中重力常數(shù)（g）取9.8 N/kg。由于忽略了其它載荷及不穩(wěn)定因素的影響，將安全系數(shù)設(shè)為較大值2。橋架主要約束經(jīng)分析主要來(lái)自端梁中X、Y、Z方向的約束，因此受力分析時(shí)，在端梁底部采用固支約束[6]，綜上可以得到如圖8所示的橋架結(jié)構(gòu)受力圖：

圖8 橋架結(jié)構(gòu)受力圖像Fig.8 Stress of bridge frame structure

2.4 求 解

選用間接迭代求解,設(shè)定求解器為PCG[7]，該求解器適合于大型模型的線性結(jié)構(gòu)分析，求解速度快。

3 結(jié)果與分析

對(duì)小車滿載處于跨中的情況進(jìn)行計(jì)算，得到橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移的結(jié)果，如圖9—11所示：

圖9 橋架結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖像Fig.9 Distribution cloud map of bridge structure stress

圖10 橋架結(jié)構(gòu)Y方向（下擾）位移云圖Fig.10 Displacement cloud map of bridge frame structure in Y direction (lower disturbance)

根據(jù)原木吊裝橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)在極限載荷作用下的應(yīng)力和位移的結(jié)果，有如下分析：

a.強(qiáng)度分析由分析結(jié)果可知主梁的最大等效應(yīng)力σmax=115.3 MPa，取安全系數(shù)2，固許用應(yīng)力[σ]=235÷2=117.5 MPa，故σmax＜ [σ]，根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果可以判定該橋架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 橋架結(jié)構(gòu)Z方向（旁彎）位移云圖Fig.11 Displacement cloud map of bridge frame structurein Z direction (side bending)

b.剛度分析由分析結(jié)果可知最大下擾UY=11.67 mm，最大旁彎UZ=0.83 mm，而此次橋式起重機(jī)垂直撓度許用值[f]=L/700=24 mm，水平撓度許用值[fg]=L/2000=8 mm，故f＜[f]，fg＜[fg]，根據(jù)剛度分析結(jié)果可以判定該橋架的垂直靜剛度和水平靜剛度滿足均設(shè)計(jì)要求[8]。

進(jìn)一步探究有限元分析法所得結(jié)果準(zhǔn)確性，按照傳統(tǒng)力學(xué)解析方法對(duì)本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，將所得結(jié)果和有限元分析方法結(jié)果進(jìn)行比較，如表3所示[9]。

表3 有限元仿真方法與力學(xué)計(jì)算方法計(jì)算結(jié)果的比較Table 3 Comparison of calculation results between finite element simulation method and mechanical calculation method

由此可知，有限元分析方法和傳統(tǒng)力學(xué)解析方法分析結(jié)果比較一致，而之間的些許差別一部分在于有限元分析方法所用三維模型是進(jìn)行過(guò)一定的簡(jiǎn)化，另一部分在于傳統(tǒng)力學(xué)解析方法求解結(jié)果不易精確所導(dǎo)致。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

本研究利用Solidworks軟件對(duì)原木吊裝橋式起重機(jī)機(jī)架進(jìn)行三維建模和三維有限元分析，并和傳統(tǒng)力學(xué)解析方法分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到了以下結(jié)論：

通過(guò)軟件的有限元分析并結(jié)合起重機(jī)有關(guān)規(guī)定要求，可以知道該類橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足工作要求。

根據(jù)應(yīng)力分布圖和位移云圖，可以看出仿真分析得出的最大應(yīng)力和最大位移出現(xiàn)位置和實(shí)際生活中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較一致，表明針對(duì)該薄弱位置進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)時(shí)應(yīng)著重注意。

Solidworks軟件進(jìn)行有限元分析方法所得到結(jié)果和傳統(tǒng)力學(xué)解析方法得到結(jié)果比較一致，雖然存在一定差別，但考慮到有限元分析方法所用三維模型是進(jìn)行過(guò)一定的簡(jiǎn)化，而傳統(tǒng)力學(xué)解析方法求解結(jié)果本身不易精確，所以依然可以認(rèn)為利用Solidworks軟件進(jìn)行建模和有限元分析是可靠和科學(xué)的。

基于Solidworks軟件對(duì)于原木吊裝橋式起重機(jī)的研究過(guò)程，方法步驟簡(jiǎn)單明了，可借鑒于其他林業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)分析研究，研究方法具有一定程度上的廣泛性，所有軟件操作都在一款軟件內(nèi)完成，操作邏輯明確，不存在數(shù)據(jù)兼容問(wèn)題，確保仿真分析快速展開(kāi)。

4.2 討 論

本研究利用Solidworks軟件對(duì)原木吊裝橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速有限元分析，分析方法和結(jié)論上存在一定的局限性，只適用于正軌箱形雙梁，且建模時(shí)由于進(jìn)行了簡(jiǎn)化，導(dǎo)致后續(xù)有限元分析不能完全反應(yīng)物體在實(shí)際適用過(guò)程中的力學(xué)變化情況。下一步研究擬采用Solidworks平臺(tái)提供的API接口，通過(guò)編程完成程序化參數(shù)建立橋架結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)一步提高建模精度，支持建模同時(shí)完成設(shè)計(jì)計(jì)算、強(qiáng)度校核、壽命計(jì)算等工作，該研究將適用于各類型橋架結(jié)構(gòu)快速建模與有限元分析，方法和結(jié)論也有望適用于各類型橋架結(jié)構(gòu)。