（机械电子工程专业论文）大型提梁机结构有限元分析与优化设计.pdf

摘要 本文以某公司生产的用于高速铁路桥梁架设用的9 0 0 0 k n 级轮胎式提梁机为研 究对象，利用大型有限元计算软件a n s y s 提供的参数化语言( a p d l ) ，建立了提梁 机结构的参数化模型，采用a n s y s 对该提梁机进行了静强度、静刚度、稳定性分析 及模态分析，发现该轮胎式提梁机主梁及枕梁局部结构存在一定问题；通过对提梁 机主梁和枕梁局部结构进行改进，并对改进后的提梁机进行有限元分析，得出改进 后的提梁机满足静强度、静刚度及稳定性要求；接着利用a n s y s 的优化分析模块对 提梁机主梁进行优化设计，得出了主梁较合理的几何尺寸，并对优化后的提梁机进 行了静强度、静刚度与稳定性验算，验证了优化结果的可行性。 本次研究结果表明用a n s y s 进行有限元分析既可以节省人力物力，又有比较高 的模拟精度，对于工程实际是非常有用的，可以提高大型起重机械结构设计水平， 使其结构更加合理，既满足当今社会发展的需求，也显示了a n s y s 在有限元分析和 优化设计中的作用和意义，该提梁机的有限元分析与优化设计研究可为同类产品的 设计及工程实际问题的解决提供具有参考价值的理论依据与实践指导。 关键词：大型提梁机、有限元分析、参数化、优化设计 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , 9 0 0 0 k nw h e e lt y p ep n e u m a t i cg i r d e rg a n t r yc r a n e sf o re x p r e s sr a i l w a y c o n s t r u c t i o n si su s e da sa no b j e c to f s t u d y am o d e lo fp n e u m a t i cg i r d e rg a n t r yc r a n e si se s t a b l i s h e d b yu s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa n da p d lp a r a m e t r i cl a n g u a g e ，a n dt h e ns t a t i cs t r u c t u r e a n a l y s i sa n ds t a b i l i t ya n a l y s i sa r ec a r r i e do u tt ot h ep n e u m a t i cg i r d e rg a n t r yc r a n e sw i t ha n s y s s o f t w a r e t h ea n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep n e u m a t i cg i r d e rg a n t r yc r a n e si s n t s a t i s f y i n g i n t e n s i t ya n ds t a b i l i t yr e q u i r e m e n t ，t h e r e f o r e ，t h ei m p r o v e m e n td e s i g nf o rt h el o c a ls t r u c t u r ea r e c o n d u c t e d ，a n dt h ei m p r o v e dp n e u m a t i cg i r d e rg a n t r yc r a n e si sa n a l y z e d t h er e s u l t sa l es a t i s f a c t o r y t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fm a i ng i r d eh a sb e e nc o n d u c t e db ya n s y s s o f t w a r e a c c o r d i n gt ot h e p r i n c i p a lt h a tb o t hs e c u r i t ya n de f f i c i e n c ya r en e c e s s a r y , s t a b i l i t ya n a l y s i sa n ds t r u c t u r ea n a l y s i sw e r e b o t ha p p l i e dt oi t a g a i n i tw a ss h o w nt h a tt h er e s u l t sa r em o r er e a s o n a b l e ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l e f i n i t ee l e m e n tm o d e l i n ga n da n a l y s i sw i t ha n s y s m a ys a v em a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s a n dh a v er e l a t i v e l ys i m u l a t i o np r e c i s i o n i ti sv e r yh e l p f u lt oa d v a n c et h es t r u c t u r ed e s i g nl e v e li n e n g i n e e r i n go fo v e 璐i z eg a n t r yc r a n e i tm a k e st h es t r u c t u r em o r er e a s o n a b l ea n dm e e t st h ed e m a n do f s o c i a ld e v e l o p m e n t t h r o u g ht h i ss t u d y , w ec a nf m dt h ef u n c t i o na n ds i g n i f i c a n c eo ff i n i t ee l e m e m a n a l y s i sa n do p t i m i z i o nd e s i g n t h es t u d ym e t h o do ff m i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n do p t i m i z i o nd e s i g ni s p r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na n dp r a c t i c a lg u i d a n c ef o rd e s i g n i n gt h ep r o d u c t so fs a m ek i n d k e yw o r d s ：l a r g ep n e u m a t i cg i r d e rg a n t r y c r a n e s ；a n s y s ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； p a r a m e t r i c ；o p t i m i z i o nd e s i g n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 叩j 其一日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论 文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 年j 具1 e 1 年只7 e l 勘叫儿 长安大学硕上学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论弟一早珀y 匕 随着社会进步和技术的不断发展，以及各施工企业对高效益和高效率的执着追求， 整体吊装工程越来越普遍，这就要求吊装用起重机的起重能力、作业幅度和高度越来越 大，大型起重机的市场需求随之增长很快。国内大型吊装用起重设备已由过去单一的抱 杆方式，逐步扩大发展成为以高性能、更安全可靠的大型移动式起重机为核心的吊装设 备。而且大型移动式起重机机动性和作业灵活性等特点也深受业内的青睐。除此以外， 浮式起重机和龙门起重机也都担负着海上和造船用大型吊装工作。其中，用于海上吊装 的浮式起重机国内最大吨位已达到3 8 0 0 0 k n ，适于固定场合吊装的龙门起重机最大吨位 为9 0 0 0 k n 。常用的大型移动式起重机主要有轮式起重机和履带起重机，国内在这方面 正逐步向大吨位发展。发达国家早在2 0 世纪7 0 年代就已生产制造和广泛使用大型移动 式起重机，而且仍在不断研究新技术和新结构，向更大吨位挑战【l 】。 门式起重机( 龙门起重机) 是通用起重机械的一个重要分支，是露天物料搬运广泛采 用的大型装卸机械，它与其它类型的起重机相比，具有起重量大、作业空间大、货场面 积利用率高、装卸效率高、基建投资少，运行成本低等优点。因此，它广泛用于工矿、 交通运输和工程建设等部门，尤其能在铁路货场的装卸作业中发挥重要的作用。就目前 国内铁路装卸而言，门机在货场内的装卸作业量占总作业量的4 0 左右，占机械作业量 的6 0 左右，已成为完成装卸任务的主要机型【2 1 。同时，门机也是与连续输送机械组成 机械化装卸系统的关键机种，在国外工业先进国家，不仅机械作业比重大，而且机械作 业己实现体系化、专业化和自动化，所以门机已被列为改扩建综合性货场、集装箱货场 和散料货场的主要配套机种，应用前景宽广【3 】。 提梁机是门式起重机的一种，根据国家中长期铁路网规划，确定了扩大规模、完善 结构、提高质量、快速扩充运输能力、迅速提高装备水平的铁路网发展目标。到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到1 0 万公里。我国在建的几条客运专线，在经过城镇、交通 枢纽、软土和南方水网地区时，多采用长距离架桥方式通过。根据目前的设计，桥梁之 多和桥梁之长在我国铁路桥梁建设史上将创新记录，其中8 0 以上又将采用中小跨度桥 梁，即采用整孔预制的简支箱梁及小跨度连续梁，主要有2 0 m 、2 4 m 、3 2 m 整孔预制的 双( 单) 线简支箱梁，这些箱梁重量达3 0 0 0 k n 以上，最大的3 2 m 双线简支箱梁重约 第一章绪论 9 0 0 0 k n ，完成这些箱梁的架设需要大量大型的桥面架运设备。本文研究的提梁机是与 架桥机、运梁车相配套的特大型专用设备，主要用于在梁场将预制的砼箱梁从制梁台位 吊至存梁台位，等砼箱梁养护完成后，再将箱梁吊装至运梁车上。同时，能完成架桥机、 运梁车在梁场的组装及拆卸工作。为了顺应国家铁路规划及国民经济发展的需求，提梁 机正在向大型化、专用化、高效化方向发展【4 ，5 ，6 1 。但是，国内现行提梁机设计中存在着 结构笨重、材料浪费严重的问题，为了保证结构安全可靠又节约钢材，因此对其结构进 行静态特性及模态分析研究，并优化其结构，对提高提梁机设计的效率、质量以及降低 成本都具有重要的作用。 1 2 起重机的国内外研究现状 1 2 1 国外现状 国外吊装业已非常成熟与完善，其吊装用起重机也随之得到了长足发展。目前工程 起重机的设计与制造主要集中在德国、美国和日本。例如轮式起重机的主要生产公司有 德国的利勃海尔，德马格，美国的格鲁夫，日本的多田野，住友建机，加藤等。履带起 重机的生产厂家有德国的利勃海尔、德马格、森尼波根，美国的马尼托瓦克起重集团、 林克贝尔特、p & h ，臼本的神钢、日立住友、石川岛等。各大制造公司的产品历经几十 年的风雨都已形成系列化。轮式起重机利勃海尔l t m 系列，德马格a c 系列和多田野 a t f 系列产品，从小起重量3 0 0 k n 到大起重量2 0 0 0 k n 、5 0 0 0 k n ，甚至达到7 0 0 0 k n 和 8 0 0 0 k n 。履带起重机利勃海尔l r 系列，德马格c c 系列以及马尼托瓦克的系列产品， 每个公司产品的最大吨位都接近或超过1 0 0 0 吨级。由此可见，国外公司产品型谱的覆 盖面很大，且非常细致，产品都已投放市场【i 】。 随着生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为物料搬运重要设备的起重机在现代 化生产过程中应用越来越广泛，作用愈来愈大，对起重机的要求也越来越高，促使其向 大型化、专用化、轻型化、多样化、自动化、智能化、机电一体化、集成化、模块化、 个性化方向发展。起重机市场近年来也异常的活跃起来，这无疑给起重机的设计带来了 更高层次的发展要求，起重机的创新设计已经成为各企业提升竞争能力的最主要手段和 途径。 当前，国外起重机发展有以下八大特征【7 , 8 , 9 , 1 0 】： 1 ) 重点产品大型化、高速化、耐久化和专用化； 2 ) 系列产品模块化、组合化、标准化和实用化； 2 长安大学硕上学位论文 3 ) 通用产品小型化、轻型化、简易化和多样化； 4 ) 产品性能自动化、智能化、集成化和高效化； 5 ) 产品组合成套化、系统化、复合化和信息化； 6 ) 产品设计微机化、精确化、快速化和全面化； 7 ) 产品构造新型化、美观化、宜人化和综合化； 8 ) 产品制造柔性化、灵捷化、精益化和规模化。 1 2 2 国内现状 国内履带起重机和轮式起重机的开发能力还处于中小吨位级别。从产品规模、吨位 大小和可靠性方面与国外还是有一定差距。这需要我们在不断消化吸收国外先进技术的 基础上，立足于国际化配套，更快地提升产品质量和性能，扩大生产规模。2 0 世纪的 大吨位起重机领域基本被国外企业垄断，但近些年也不断有国内企业进入该领域，并已 取得实质性的进展。轮式起重机方面，徐工集团和浦沅集团设计开发了1 6 0 0 k n 和 3 0 0 0 k n 全路面起重机。履带起重机方面，大连理工大学与徐工集团合作开发的1 5 0 0 k n 产品已投入市场，与浦沅集团合作开发的2 0 0 0 k n 产品已推出样机，与抚顺挖掘机制造 有限责任公司合作开发的3 5 0 0 k n 产品方案评审结束，现已进入施工设计阶段。目前国 内各工程项目的不断开展，带动了工程起重机的市场强劲的需求，尤其是大型起重机， 其中进口起重机占据了国内一半以上的市场。以履带起重机为例，2 0 0 3 年进口的起重 机有2 4 5 台，其中大连港进口2 0 0 0 k n 以上的产品就有4 5 台之多，最大的起重量到 6 0 0 0 斟。2 0 0 4 年上半年的进口量由2 0 0 3 年的9 3 台增加到2 2 8 台，同比增长1 4 5 。 而2 0 0 4 年上半年的国产销售量为1 0 7 台( 不完全统计) ，仅占总销售量的3 2 。据估计 2 0 0 0 k n 以上的工程起重机每年需要千台以上。因此工程起重机在国内有着极大的发展 空间和市场潜力，尤其是大型起重机。国内企业应抓住机遇，应用先进技术和通过国际 化配套，不断开发设计具有自主知识产权的大型起重机，尽快提升产品质量，以提高产 品的竞争力，与国际名牌产品竞争市场【7 , 8 , 9 , 1 0 】。 国内工程机械产品近十年来随着技术的引进、消化、吸收，有了长足的进步，产品 性能、可靠性、外观都有较大幅度的提高，但同国外工程机械比较来看，还存在较大差 距，就工程起重机而言，发展方向主要表现在如下几个方面【7 , 8 , 9 , 1 0 】： 1 ) 充分吸收利用国外先进技术； 2 ) 整机性能：由于先进技术和新材料的应用，同种型号的产品，整机重量要轻2 0 第一章绪论 左右。随着结构分析应用和先进设备的使用，结构形式更加合理； 3 ) 高性能、高可靠性的配套件，选择余地大、适应性好，性能得到充分发挥。 1 3 课题研究内容及方法 本文利用有限元分析软件a n s y s 强大的结构分析功能和优化设计模块对某公司生 产的用于高速铁路的9 0 0 0 k n 级大型提梁机进行了结构静强度、静刚度分析、整机稳定 性分析及模态分析和优化设计。主要研究内容如下： ( 1 ) 根据提梁机的几何结构、特征形状抽象出描述模型的特征参数对结构进行合 理简化，确定影响提梁机强度和刚度的技术参数，建立能较准确反映实际情况的参数化 有限元模型； ( 2 ) 综合分析提梁机各种工作工况，对每种规格的砼箱梁分别选择三种典型工况， 利用a n s y s 软件对提梁机整机进行结构静强度、静刚度、屈曲稳定性和模态分析； ( 3 ) 对提梁机不满足静强度和稳定性要求的局部结构进行改进，并对改进后的提 梁机进行校核； ( 4 ) 对改进后的提梁机主梁进行结构优化设计，以达到节省材料，实现提梁机轻 量化的目的。 4 长安大学硕十学位论文 第二章提梁机结构有限元模型的建立 2 1提梁机结构构成及基本参数 2 1 1 提梁机的结构特点 本文以某公司生产的用于高速铁路的大型提梁机( 9 0 0 0 k n ) 为例，该提梁机的行 走方式为轮胎式，其结构简图见图2 1 。9 0 0 0 k n 提梁机是用于预制梁厂混凝土箱梁转运 的专用设备。整个提梁机的结构由主梁、枕梁、梯形梁、端部滑轮梁和主梁联接杆组成。 9 0 0 0 k n 提梁机的跨度为4 1 5 m ，起升高度1 0 5 m ，额定负载9 0 0 0 k n ，可运送高速铁路 客运专线3 2 m 、2 4 m 、2 0 m 混凝土箱梁。该提梁机的承载结构由双主梁构成，小车运送 3 2 m 混凝土箱梁时对称布置，运送2 4 m 、2 0 m 混凝土箱梁时小车的布置方式有两种：1 、 对称布置；2 、一端小车不动，另一端小车整体向内移至吊装2 4 m 、2 0 m 混凝土箱梁的 适宜位置。 图2 1 提梁机的结构组成 1 主梁2 枕梁3 支腿4 梯形梁孓主梁联接杆6 - 端部滑轮梁 2 1 2 提梁机的结构参数 本文是对提梁机金属结构进行研究和探讨，因此对许多参数进行了适当的简化。所 选的提梁机有关参数详见表2 1 。 5 第二章提梁机结构有限冗模型的建立 表2 1 提梁机参数 提梁机结构质最2 6 3 0 0 0 k g 全长 4 6 1 m 整车的总体尺寸全宽 3 1 m 全高1 6 2 2 2 m 起升高度 1 0 5 m 空载1 5 m m i n 卷扬机起升速度 满载 0 5 m m m 空载 2 k m h 接车行驶速度 满载 l k m h 坡度 2 工作状态设计风速 6 级 最大风速 非工作状态设计风速1 1 级 2 2 提梁机结构有限元模型的建立 有限元分析结果的可信度高低直接受分析模型、载荷处理、约束条件等和实际工程 结构力学特性符合程度的影响，建立有限元模型时既要如实的反映实际结构的重要力学 特性，又要尽量采用较少的单元和简单的单元形态，以保证较高的计算精度及缩小解题 规模。 2 2 1 模型的单元特性 a n s y s 软件提供了百余种单元来满足各种工程实际的需要，根据本论文计算研究 的特点本论文研究的对象主要是由钢板焊接而成的箱形梁结构，在实际工作中会发 生弯曲、扭转变形，所以模型采用空间板壳单元s h e l l 6 3 进行模拟，单元的特性直接 关系到运算的结果和分析的方法，下面将对s h e l l 6 3 单元进行简要的介绍。 s h e l l 6 3 单元既能抗弯曲，又包括薄膜单元的各种性能，因此能承受平面内的力， 也能承受其它方向的载荷。单元的每个节点有六个自由度，即沿x 、y 、z 轴方向平动及 绕x 、y 、z 轴转动。具有硬度，可以抵抗压力，也允许进行大变形的分析。s h e l l 6 3 单元通过四个节点定义，当两个连续的节点重合时，四节点的单元退化为三角形单元， 单元的形状、节点的位置及坐标系统如图2 2 所示。单元可以是变厚度的，通过四个节 点分别定义；当然单元也可以是等厚度的，这时只需定义在一个节点位置的厚度就可以 了。单元的弹性和刚度通过材料的特性来定义，材料可以为各向同性，也可以定义为沿 各个坐标轴各向异性。单元在坐标系中的位置默认为单元的中面与坐标面x y 平面重 6 长安人学硕士学位论文 合，但单元可以绕坐标轴旋转，也可以通过调整坐标系使单元放置在坐标系中的任意位 置。 a l j x 图2 2s h e l l 6 3 单元j i , n 描述 对s h e l l 6 3 ，可以在单元节点施加力和力矩，也可以在单元的平面上施加面力( 单 位面积上的力) 以及在单元的边界上施加线力( 单位长度上的力) ，还可以在各节点定 义不同的温度值，f e a 程序将根据温度梯度计算出由温度差而产生的体力。使用 s h e l l 6 3 单元，通过计算能够输出的结果如图2 3 所示，其中主要包括：( 1 ) 节点位移； ( 2 ) 单元绕x 轴、y 轴的弯矩；( 3 ) 单元扭矩；( 4 ) 单元在平行于各坐标轴方向的应 力、各主应力及综合应力。使用平的板壳单元可以对曲面进行有限元网格划分和分析计 算，当每一个单元的尺寸不大于曲面的1 5 度弧线时，对曲面的描述和分析能够达到很 高的近似程度。 图2 3s h e l l 6 3 单元应力输出图 使用s h e l l 6 3 单元时应注意以下的限制： ( 1 ) 单元的面积不能为零或负值； 7 第二二章提梁机结构有限冗模型的建立 ( 2 ) 单元的厚度不能为零； ( 3 ) 作为薄壳单元，在单元的平面上无剪切变形； ( 4 ) 单元的四个节点应当在同一个平面上，允许有少许的扭曲( 这时会给出关于 单元形状的“警告”消息框) ，当单元扭曲严重时( 会出现“错误消息框) ，程序就不 能继续执行下去，这时需要用两个三角形单元来代替这一四边形单元； ( 5 ) 单元没有考虑材料的阻尼特性。 2 2 2 材料特性 提梁机结构由三种材料组成：q 3 4 5 a 、q 3 4 5 c 、q 2 3 5 b 。其中，提梁机的纵筋材料 为q 2 3 5 b ，其余结构材料为q 3 4 5 a 和q 3 4 5 c ，各材料力学性能见表2 2 。参照 g b t 3 8 1 1 - 2 0 0 8 起重机设计规范，钢材的强度安全系数取n = 1 4 8 。 表2 2 各材料力学性能 材料材料特性屈服极限( o s ) ( m p a ) 许用应力【盯】= 叼 弹性模量e 2 0 6 ( g p a ) q 3 4 5 a q 3 4 5 c 3 4 52 3 3 泊松比p 0 3 密度( k g m 3 ) 7 8 5 0 弹性模量e 2 0 6 ( g p a ) q 2 3 5 a 2 3 5 1 5 9 泊松比“ 0 3 密度( k g n 1 3 ) 7 8 5 0 2 2 3载荷计算 不同分析工况，提梁机承受的载荷不同，主要有以下载荷： 1 、起升载荷：该提梁机的设计额定起重量为9 0 0 0 k n 。根据g b t 3 8 11 - 2 0 0 8 起重 机设计规范，对于静载试验工况，静载系数取1 2 5 ，即提梁机承受的起升载荷为额定 载荷的1 2 5 倍，即1 1 2 5 0 k n ；对于其他工况，由于提梁机在起吊砼箱梁时起升平稳， 动载系数取1 0 5 ，即提梁机承受的起升载荷为额定载荷的1 0 5 倍。 2 、提梁机结构自重：由a n s y s 软件自动计算提梁机的自重载荷。 3 、小车以及吊具自重：将小车和吊具重量作为集中载荷施加于提梁机主梁上，小 车和吊具总重力为8 4 6 2 4 k n 。 4 、水平惯性力：提梁机及小车启动和制动时，会产生一定的惯性载荷。参考起 重机设计手册，取加速度为o 1 m s 2 。小车与砼箱梁移动所产生的水平惯性载荷作为集 8 长安人学硕士学位论文 中力施加于提梁机主梁上。 5 、风载荷：工作状态设计风速为6 级，即风压力p = 1 5 0 p a 。 2 2 4 计算工况的选择 提梁机可以运送三种不同规格的梁：3 2 6 m - - - 9 0 0 0 k n 、2 4 6 m - - 6 8 6 0 k n 、2 0 6 m 一 5 4 5 0 k n 。工况划分见下表2 3 所示。 表2 39 0 0 0 1 0 1 提梁机的运梁工况 工况被运送梁的位置 工况一主梁跨止中 工况二沿主梁方向( 模型中为x 轴方向) 有o 5 m 的横移 工况二沿枕梁方向( 模型中为z 轴方向) 有0 2 m 的纵移 工况四沿土梁方向有0 5 m 的横移，同时沿枕梁方向有0 2 m 的纵移 工况五主梁一端 对于规格为3 2 6 m - - - - 9 0 0 0 k n 的砼箱梁划分为以上工况中的前四种；规格 说明 为2 4 6 m - - 6 8 6 0 k n 、2 0 6 m 一5 4 5 0 k n 的砼箱梁划分为以上五种工况。 对提梁机工作过程进行综合分析，对每一种规格的砼箱梁分别选择3 种典型工况进 行静强度、静刚度和稳定性计算。 1 、运送梁的规格为3 2 6 - 9 0 0 0 k n 1 ) 静载试验工况：g b 5 9 0 5 起重机试验规范和程序规定，对提梁机进行静强度、 静刚度检测时，要求提梁机大车静止，小车缓慢起吊砼箱梁，起升载荷为1 2 5 g ( g 为 额定载荷) ，位于提梁机主梁正中间，砼箱梁提升一定高度且静止后读取实验数据。计 算该工况的目的在于分析提梁机整机的静强度、静刚度及整体稳定性是否满足要求。 2 ) 小车横移工况：该工况下，大车静止，小车吊砼箱梁沿主梁方向移o 5 m 。计算 该工况的重点在于分析提梁机主梁的静强度、静刚度及整机稳定性。 3 ) 小车横移同时纵移工况：该工况下，大车静止，小车吊砼箱梁沿主梁方向移0 5 m ， 同时沿枕梁方向纵移0 2 m 。计算该工况的重点在于分析该提梁机枕梁、支腿及梯形梁 的静强度、静刚度及整机稳定性。 2 、运送梁的规格为2 4 6 6 8 6 0 l 澍 1 ) 跨中起升工况( 运送梁位置处于主梁正中) ：该工况下，大车静止，小车吊砼箱 梁平稳起升。计算该工况的重点在于分析提梁机主梁的静刚度及整机稳定性。 2 ) 小车横移工况( 运送梁的位置靠主梁一端) ：该工况下，大车静止，小车吊砼箱 梁沿主梁方向移o 5 m 。计算该工况的重点在于分析提梁机主梁的静强度、静刚度及整 机稳定性。 9 第二章提梁机结构有限，c 模型的建屯 3 ) 小车横移同时纵移工况( 运送梁的位置靠主梁一端) ：该工况下，大车静止，小 车吊砼箱梁沿主梁方向移o 5 m ，同时沿枕梁方向纵移0 2 m 。计算该工况的重点在于分 析该提梁机枕梁、支腿及梯形梁的静强度、静刚度及整机稳定性。 3 、运送梁的规格为2 0 6 - - 5 4 5 0 k n 1 ) 跨中起升工况( 运送梁位置处于主梁正中) ：该工况下，大车静止，小车吊砼箱 梁平稳起升。计算该工况的重点在于分析提梁机主梁的静刚度及整机稳定性。 2 ) 小车横移工况( 运送梁的位置靠主梁一端) ：该工况下，大车静止，小车吊砼箱 梁沿主梁方向移o 5 m 。计算该工况的重点在于分析提梁机主梁的静强度、静刚度及整 机稳定性。 3 ) 小车横移同时纵移工况( 运送梁的位置靠主梁一端) ：该工况下，大车静止，小 车吊砼箱梁沿主梁方向移0 5 m ，同时沿枕梁方向纵移0 2 m 。计算该工况的重点在于分 析该提梁机枕梁、支腿及梯形梁的静强度、静刚度及整机稳定性。 2 2 5 提梁机参数化建模基本思想与步骤 根据提梁机结构的特点与分析要求，用参数描述其特征尺寸，在建立提梁机有限元 模型与有限元分析时，以参数表征其过程，从而实现提梁机结构参数可变的有限元分析。 具体步骤如下： 1 ) 根据提梁机的几何结构、特征形状抽象出描述模型的特征参数，在保证精度的前 提下对分析模型适当简化； 2 ) 用a n s y s 的命令流建立包含提梁机结构的有限元模型的建立过程、分析过程、 结果处理过程的有限元分析文件。提梁机结构参数化建模是一项较为复杂的工作。本文 采用白底向上( 按点、线、面、体的顺序建模) 的建模方式，建立了提梁机有限元模型。 在参数化建模过程中，要考虑到整个模型的通用性，其建模方式不同于一般的g u i 界 面下建模。采用编写a p d l 命令流文件与a n s y s 界面中输入命令流相结合的编程方式。 本文中提梁机结构分析的命令流长达几十万行，如果像编程一样编写命令流文件几乎是 不可能的；倘若在a n s y s 界面下建模，再修改生成的l o g 文件，则由于提梁机有限 元模型的复杂程度，修改的困难将非常大。本文在建模过程中，采用先在a n s y s 界面 下进行一段g u i 操作，然后修改生成的l o g 文件，再将此命令流导入a n s y s 并运行 检查其正确性，然后再进行下一段g u i 操作，修改新生成的l o g 文件，再将此命令流 导入a n s y s ，如此反复操作，最终实现了高效的参数化建模。 l o 长安人学硕上学位论文 3 ) 用a p d l 语言将抽象出的提梁机结构特征参数代替建模中的参数，构成可变参数 的有限元分析文件； 4 ) 根据提梁机设计分析要求，将参数赋予不同的特征值，并进行有限元计算分析， 获取结果。前三步工作完成后，在进行结构分析时只需重复第四步就可不断获得新的有 限元分析结果。 2 2 6 提梁机结构有限元计算模型的建立 有限元方法的基本思想就是将连续的物理实体离散化，即用有限个单元来表示复杂 的对象，单元之间通过节点相互连接，然后根据边界条件综合求解 1 l , 1 2 】。因此，计算结 果与实际一定存在误差，误差大小以及结果的准确度很大程度上依赖模型的简化，简化 是否合理与正确直接影响到结果的可信度【1 3 , 1 4 】。为了保证计算过程的经济性和计算结果 的正确性、合理性，在建模过程中尽量保持和原始结构一致的同时，也需要进行必要的 简化【1 5 , 1 6 】。过于细致地描述一些非关键结构，不但增大建模难度，还会使有限元模型的 单元尺寸变化过于剧烈而影响计算精度，而且实际的构件因为功能、工艺或制造的要求 存在许多与分析无关的特征，如果不对几何模型进行简化将会使有限元模型计算困难甚 至无法进行。因此，作为分析用的模型必须经过一定的简化才能满足有限元的分析要求。 但对于必要的简化要以符合结构主要力学特性为前提 1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 l 。为尽量减少和避免病态 单元的出现，本文在建模过程中采用自定义网格划分。 在建立提梁机结构有限元模型时，做出以下建模假设与简化： 1 、提梁机结构主要由钢板组成，故在建模过程中，采用空间板壳单元，尽可能如 实反映结构形状变化； 2 、提梁机结构中的小尺寸结构，如小孔、开口、小筋和小凸台，设计它们的目的 通常是为了局部过渡或工艺上避让一些管线，对结构的强度、刚度影响不大，在建模时 忽略；工程中盖缘外伸主要是为了改善焊接条件，提高盖缘板和腹板的焊接质量，对结 构强度、刚度的影响很小，建模时把箱型结构简化为封闭环型截面梁。 3 、小车、吊具和起吊的砼箱梁简化为3 2 个等效面压力，分别施加于小车与滑轨的 3 2 个滑块接触面上； 4 、提梁机行走机构在提梁机工作过程中处于锁定状态，因此将提梁机轮胎和驱动 装置简化为有约束的支撑点。 简化后的参数化有限元模型如图2 4 。共划分板壳单元9 6 5 1 0 ，节点共1 3 5 1 4 6 个。 第二章楗粱机鲒构有，c 模型的建i 圈2 49 0 0 0 k n 提粱机有限元模型 长安人学硕上学位论文 第三章提梁机结构静态特性分析 3 1提梁机结构静强度、静刚度分析 提梁机结构的静刚度、静强度分析是用来计算在固定不变的载荷作用下提梁机结构 的效应，即分析由于稳态外载引起的提梁机各个构件在不同工况下静应力应变大小和应 力应变分布，目的在于考察各个构件是否满足静强度和静冈度要求。 3 1 1 运送梁的规格为3 2 6 m - - 9 0 0 0 k n l 、工况一( 静载试验工况) 1 ) 载荷说明： 该工况下，提梁机承受的载荷为：提梁机自重和起升载荷。 根据起重机设计与试验规范，取主梁承受起升载荷为： g = k o + g l = 1 2 5 x9 0 0 0 + 8 4 6 2 4 = 1 2 0 9 6 2 4 k n 其中： k 静载系数，k = 1 2 5 ； q 额定载荷，q = 9 0 0 0 k n ； q 小车及吊具自重，g = 8 4 6 。2 4 埘。 2 ) 计算结果 该工况计算结果见图3 1 。由图可以看出，主梁与枕梁均有部位超出许用应力，主 梁最大应力为咖= 4 2 5 m p a ，位于主梁与枕梁联结位置主梁隔板圈筋处；枕梁最 大应力点位于枕梁与支腿联结位置枕梁内隔板圈筋处，豳= 3 4 4 m p a 。而q 3 4 5 许 用应力为2 3 3 m p a ，故该工况下提梁机不满足结构静强度要求。最大竖直向下变形为 o 1 2 5 7 6 7 m ，由于提梁机主梁预拱度为0 0 7 3 9 m ，故提梁机挠跨比为： 名：_ a ：0 1 2 5 7 6 i 7 _ - 0 一0 7 3 9 ：上 土，故该工况下，提梁机的静刚度满足要求。 ，4 1 58 0 05 0 0 。 第一辛摊梁机结构静志特性j 析 襄i l ( a ) 提粱机的全局应力云图( 单位：p a ) 圣；i 煅瓤。 誊驴 ( b ) 提粱机的竖向位移云图( 单位：m 1 = 。r j 。+ 。p u + 。严。i z 赫， ( c ) 主粱v o n m i s e s 应力云图( 单位：p 日) k 安火学碳学位论文 ( d )主粱局部v o nm i s e s 应力云图( 单位：p a ) ( e ) 枕粱v o i i m i s e s 应力云图( 单位：r a ) = 暑+ 。p j 。+ ；j ，。“。赫+ z 黾。， ( f ) 枕粱局韶v o nm i s e s 应力云图( 单位：p a ) 图3 1 工况一静强度、静月慷计算结果 第三章提梁机结构静态特性分析 2 、工况二( 小车横移工况) 1 ) 载荷 该工况下，提梁机承受的载荷为：提梁机自重、起升载荷、由于小车吊砼箱梁移动 产生的沿主梁方向的水平惯性力及与水平惯性力同向的风载荷。 垂向力： g = 尼q + g l = 1 0 5 9 0 0 0 + 8 4 6 2 4 = 1 0 2 9 6 0 4 k n 其中： 七动载系数，k = 1 0 5 ； q 额定载荷，q = 9 0 0 0 k n ； g l 小车及吊具自重，g l = 8 2 6 2 4 k n 。 水平惯性力 p = ( m 巳+ m c , ) x a = ( 9 0 0 + 8 4 6 2 4 ) x0 1 = 9 8 4 6 2 4 k n 其中： 聊q - 起升质量，m 嘭= 9 0 0 t ； 聊q 小车与吊具质量，m g i = 8 4 6 2 4 t ； 口加速度，a = 0 1 。 o 风载荷 取工作风载6 级，即风压力p = 1 5 0 p a 。 2 ) 计算结果 该工况计算结果见图3 2 。由图可以看出，主梁与枕梁均有部位超出许用应力，主 梁最大应力为幽= 3 6 2 m p a ，也位于主梁与枕梁联结位置主梁隔板圈筋处；枕梁 最大应力点位于枕梁与支腿联结位置枕梁内隔板圈筋处，耐嘲= 3 0 6 m p a 。而q 3 4 5 许用应力为2 3 3 m p a ，故该工况下提梁机不满足结构静强度要求。最大竖直向下变形为 o 1 0 9 3 6 6 m 。由于提梁机主梁预拱度为0 0 7 3 9 m ，故提梁机挠跨比为： 见：_ a ：0 1 0 9 3 i 6 6 - 0 0 7 3 9 ：二1 上，故该工况下，提梁机的静刚度满足要求。 以= 一= 一= 一，烈嵌上现r ，挺采倒l 削甜冈u 及7 两疋赞冰o ，4 1 511 7 05 0 0 1 6 长安人学硕十学位论文 悫i i 蠢严“落嚣二+ i 一嘎。+ ：；暑。 f 曲提桨机的全局廊力云图( 单位：p a ) 圣i i 。 ( b ) 提粱机的竖向位移云图( 单位：m ) = f 。雒m + 。p + “严。+ 。， f c )主梁v o nm i s e s 应力云图( 单位；p a ) 第= 章提梁机结构静态特性分析 黑。“严+ 毒，咄。二；一。器。， ( d ) 枕粱y o nm i s e s 应力云图( 单位：p a ) 图3 2 工况二：静强度、静刚度计算结果 3 、工况三( 小车横移同时纵移工况) 1 ) 载荷 该工况下，提梁机承受的载荷为：提粱机自重、起升载荷、由于小车吊砼箱梁移动 产生的沿主梁方向的水平惯性力、沿枕梁方向的水平惯性力及与主梁方向的水平惯性力 同向的风载荷。 垂向力： g = q + q = 1 0 5 x 9 0 0 0 + 8 4 62 4 = 1 0 2 9 6 0 4 k n 其中： 女动载系数，t = 1 0 5 ； q 额定载荷，q = 9 0 0 0 k n ； g 小车及吊具自重，g l = 8 2 6 2 4 k n 。 垂向力分别分配到两根主粱的小车与滑轨的滑块接触面上，其中一根主梁上的每个 接触面分配的等效面压力为1 2 8 0 7 9 1 05 p a ，另外一根主梁上的每个接触面分配的等效面 压力为1 1 4 4 7 1 8 3 7 s p a 。 o 水平惯性力 p 2 ( 。+ “q ) 4 2 ( 9 0 0 + 8 4 ，6 2 4 ) x 01 2 9 8 4 6 2 4 k n 其中： k 安大学碘j ：学位论立 m “起升质量，脚q = 9 0 0 t ； ”k 小车与吊具质量，”h = 8 46 2 4 t ： 4 加速度，a = 01 。 0 风载荷 取工作风载6 级，即风压力p = 1 5 0 p a 。 2 ) 计算结果 该工况计算结果见图3 3 。由图町以看出，主梁与枕梁均有部位超出许用应力。主 粱最大应力为盯哪。粥= 3 6 8 m p a ，位于主梁与枕梁联结位置主梁隔板圈筋处，而枕粱 最大应力点位于枕梁与支腿联结位置枕梁内隔板圈筋处，。k = 3 1 i m p a 而q 3 4 5 许用虑力为2 3 3 m p a ，故不满足结构静强度要求。最大竖直向下变形为0 1 1 1 6 1 6 m ，出 于提梁机主梁预拱度为o 0 7 3 9 m ，故提梁机挠跨比为： 丑：拿一0111616-00739去上，故该工况下，提梁机的静刚度满足要求。 j4 15 l 】0 05 0 0 晨笔。j 蠢蕊嚣氯+ + 孰。， 【劬提粱机的全局应力云图( 单位：p a ) 第一市提粱机结构静态特十 分析 墨i 三罂。i 留两。i ，i 乃气。：； ( b ) 提桨机的竖向位移云图( 单位：m ) 器冀= 静驾= 黟是= 嘎= 万。， ( c )主粱v o nm i s e s 应力云图( 单位：p a ) 要曩。产。? 。p 。器巍。， ( d ) 枕粱y o n m i s e s 应力云图( 单位；p a ) 图3 3 工况三静强度、静刚度计算结果 安大学硕i 学位论文 312 运送粱的规格为2 46 m - - 6 8 6 0 k n 1 、工况一：跨中起升工况( 运送梁位置处于主梁正中) 1 ) 载荷： 该工况下提梁机承受的载荷为：提梁机自重、小车及吊具重力和起升载荷。取主 梁承受载荷为： g = k g o + 6 = 1 0 5 x 6 8 6 0 + 8 4 6 2 4 = 8 0 4 9 2 4 k n 其中： 动载系数，= 1 0 5 ； q 额定载荷。e = 6 8 6 k n ； q 小车及吊具自重，q = 8 4 62 4 k n 。 2 ) 计算结果 该工况计算结果见图3 4 。由图可以看出，主梁最大应力为o k 。瞄= 2 7 8 m p a 位 于主梁与枕梁联结位置主粱隔板圈筋处；枕梁最大应力点位于枕梁与支腿联结位置枕粱 内隔板圈筋处，。嘟= 2 5 7 m p a 。而q 3 4 5 许用应力为2 3 3 m p a ，故提梁机不满足结 构静强度要求。最大竖直向下变形为0 1 2 7 7 7 4 m ，由于提粱机主粱预拱度为0 0 7 3 9 m 故提粱机挠跨 魄 = ；= 塑乏警业= 击c 击，故该工况下，提梁机的静 刚度满足要求。 = 舄。”。 ：产一+ i + u k + 万瓢。， ( a l 提梁机的全局应力云图( 单位；p a ) 靖二章挺粱机结构静志特性h 析 = 暑二+ 0 8 ! 。喜i 簪二；e “。+ 魏。， ( c )主粱v o m i 螂应力云图( 单位：p a ) 一i 一。严+ u + i u + 。+ u 蕊， ( d ) 枕粱y o nm i s e s 应力云图( 单位：h ) 图3 0 工况一静强度、静刚度计算结果 w 目删日 长安大学硕士学位论文 2 、工况二：小车横移工况( 运送梁的位置靠主梁一端) 1 ) 载荷 该工况下，提梁机承受的载荷为：提梁机自重、小车及吊具重力、起升载荷、由于 小车吊砼箱梁移动产生的沿主梁方向的水平惯性力及与水平惯性力同向的风载荷。 垂向力： g = 碱+ g 1 = 1 0 5 x 6 8 6 0 + 8 4 6 2 4 = 8 0 4 9 2 4 埘 其中： 七动载系数