（机械电子工程专业论文）单梁双吊钩门式起重机结构分析与优化设计.pdf

摘要 门式起重机是一种重要的物料搬运设备，广泛应用于桥梁、水利、车站、港口、电 站等生产领域中。随着我国经济的发展，它不仅在国民经济中占有重要的地位，在社会 生产和生活的领域的应用也在不断扩大。钢结构设计是起重机系统设计中的重要环节， 合理的结构设计可改善结构力学性能、提高资源的利用率，具有重要的现实意义。 本文结合实际课题，以某公司生产的用于济南黄河大桥主桥吊装钢箱梁用的单梁双 吊钩门式起重机为研究对象，采用大型有限元计算软件a n s y s 为分析手段，建立了该起 重机的有限元模型，对其进行静强度、静刚度、稳定性分析和模态分析，得出该起重机 满足强度和刚度要求。提升系统是用来实现物料的垂直升降，是门式起重机最基本、也 是最重要的部分，提升机构的结构特点与安全性能将直接关系到整机作业的安全性和可 靠性。本文从单梁双吊钩门式起重机提升系统的组成部分及结构特点出发，建立了吊具 系统的有限元模型，计算出吊具系统结构强度和刚度，依据计算结果对吊具系进行了结 构改进，并对改进的吊具结构进行了验算，说明改进方案提高了提升系统的安全性。论 文最后，通过a p d l 参数化建模，利用仿真软件a n s y s 优化工具箱对起重机的主梁结构 进行了优化设计，优化后的主梁结构自重减少了1 4 2 7 ，并对优化后的主梁进行了静 强度、静刚度及稳定性验算，验证了优化结果的合理性和可靠性。 本文的研究结果表明，采用a n s y s 有限元软件对实际工程对象进行有限元分析与 结构优化能够缩短设计周期、降低生产成本，本文的研究可为同类产品的设计与优化提 供参考。 关键词：门式起重机、有限单元法、a n s y s 、吊具系统、优化设计 a b s t r a c t g a n t r yc r a n ei sa ni m p o r t a n tl i f t i n ge q u i p m e n ta n dw i d e l yu s e di nb r i d g ee n g i n e e r i n g , h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g ，r a i l w a ys t a t i o n s ，p o r t s ，p o w e rp l a n t sa n dm a n u f a c t u r i n gf i e l d s i tp l a y s a ni m p o r t a n tr o l e i nt h ed e v e l o p m e n to ft h e s o c i e t ya n di t sp o s s i b l ea p p l i c a t i o n sa r e e x p a n d i n go v e rt h ey e a r s t h es t e e ls t r u c t u r ei st h em o s tc r i t i c a lc o m p o n e n to ft h eg a n t r y c r a n e t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et os t u d yo nt h es t e e ls t r u c t u r eo ft h e g a n t r yc r a n e c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a lp r o j e c t , ag a n t r yc r a n e 、7 l ，i t hs i n g l e g i r d e ra n dd o u b l eh o o k w h i c hi su s e df o rl i f t i n gs t e e lb o xg i r d e ri nt h ej i n a ny e l l o wr i v e rb r i d g e ，i st a k e n 嬲t h e o b j e c to fs t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ef i n i t ee l e m e n tm o d a lo ft h ew h o l eg a n t r yc r a n ei s e s t a b l i s h e db yu s i n gf a m o u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sa c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r e c h a r a c t e ra n dw o r kc o n d i t i o n s ，a n dt h e ns t a t i cs t r u c t u r ea n a l y s i s ，s t a b i l i t ya n a l y s i sa n dm o d e l a n a l y s i sa r ec a r d e do u tt oi t 1 1 舱r e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r es t r e s sa n dd e f o r m a t i o na r e c o n f o r m e d a st h eh o i s t i n gs y s t e mo ft h eg a n t r yc r a n ei st h em o s tb a s i ca n dt h em o s t i m p o r t a n tp a r to ft h eg a n t r yc r a n e ，af i n i t ee l e m e n tm o d a li se s t a b l i s h e db yu s i n ga n s y s a c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r ec h a r a c t e r , a n dt h es t r u c t u r ea n a l y s i si sc a r d e do u tt oi t 1 h ea n a l y s i s r e s u l t si n d i c a t et h a tai m p r o v e m e n td e s i g nf o rt h es l i n gs t r u c t u r ei sn e c e s s a r y , t h e r e f o r e ，t h e s l i n gs t r u c t u r ei si m p r o v e da n dc o n d u c t e da g a i n t h ei n n o v a t i v ea p p r o a c hi m p r o v e st h e s a f e t yo ft h eh o i s t i n gs y s t e m a tl a s t ，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 e ri sc a r d e do u tb y t h eo p t i m a lt o o l b o xo fa n s y ss o f t w a r e t h ew e i g h to fm a i ng i r d e r si sr e d u c e db y14 2 7 p e r c e n ta f t e ro p t i m i z a t i o n , i ts h o w st h a tt h eo p t i m i z a t i o np r o p o s a li sr e a s o n a b l ea n dr e l i a b l e a c c o r d i n gt o t h er e s e a r c hi n t h ed i s s e r t a t i o n , t h em e t h o d ，t h a ta n a l y z i n gt h es t r u c t u r ea n d o p t i m i z i n gs t r u c t u r eb yu s i n ga n s y s ，c a ns h o r t e nd e s i g np e r i o d ，r e d u c et h ec o s to fp r o d u c t t h er e s u l t so ft h es t u d yp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o nf o rt h es i m i l a r p r o d u c t s k e yw o r d s ：g a n t r yc r a n e ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；a n s y s ；h o i s t i n gs y s t e m ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n 长安大学硕士学位论文 1 1 论文选题背景 第一章绪论 1 1 1 起重机及其应用 起重机是一种能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械，由金属结构、动力 装置、工作机构和控制系统四大部分组成。作为物料搬运的主要设备和工具，起重机对 于提高生产能力、减轻劳动强度、降低生产成本、提高运输效率、加快物资周转、流通 等方面均有着重要影响，故其广泛应用于发电厂、核电、港口、码头、水利、隧道、桥 梁、石化、冶金、建筑等行业，装备着国民经济的各个部门，在现代化生产中占有重要 地位【1 埘。 1 1 2 国内发展现状 随着新中国的成立，我国的起重运输机械行业才得以奠基并逐渐发展起来，经过愈 六十年，特别是改革开放以来的飞速发展，已形成较大的规模和水平，基本形成了较为 完整的科研、生产体系，在机械工业中占有重要的一席。起重运输机械产品的种类不断 增多，现在，我国已经能够独立为国家重点工程提供所需的大型成套装备，并有一定的 出口量。目前，我国起重机械制造单位近2 0 0 0 家，起重机械安装改造维修单位近3 0 0 0 家，在用的起重机械达到1 0 0 余万台，从事起重机械作业人员已达3 0 0 多万人【l 】。 随着我国经济的快速发展，起重运输机械制造业也取得了长足的进步。“十五期 间，我国起重机行业平均每年增长超过3 0 ，其中2 0 0 5 年起重运输机械行业销售额达到 1 2 7 2 亿元。在“十一五 期间，我国各建设行业的投资都保持了平稳较快的上升趋势。 国家防洪工程、“三农”水源工程、8 大水电工程项目、西电东送项目、天然气开发与输 送工程等一大批项目都大大拉动了起重机行业的迅猛发展。据统计在“十一五 期间， 在世界“金融海啸 的大背景下，我国工程起重机行业不但没有受到剧烈冲击，而且起 重运输机械产品的工业总产值、销售收入和利润总额的年平均增长率均超过了1 5 f 3 4 1 。 预计在“十二五 期间，随着国家“四万亿 投资计划的实施和我国城镇化进程的发展， 特别是中西部地区基础设施建设和大型项目不断上马，我国工程起重机行业还有一定的 发展空间。 虽然我国起重运输行业取得了巨大的成就，特别是近几年许多工程起重机不断加速 国际化的进程，积极实施“走出去”战略，博弈国际大舞台。但是，我国起重运输行业 第一章绪论 在产业规模、核心技术、海外市场拓展能力等方面还没有形成较强的国际竞争力。在产 业规模方面，国内工程起重机企业与国外大企业相比仍有一定差距，特别是大型设备的 产品开发和系统成套能力还不够。这种状况将对国际背景下的企业技术创新和营销、服 务网络建设等方面形成制约。在核心技术方面，由于我国产品在关键零部件、元器件的 研发和及制造工艺水平相对较低，致使出口产品的主市场为亚、非、拉的一些发展中国 家，在欧、美、日等发达国家的市场上较少。在海外市场拓展能力方面，我国企业除徐 卅i 重工、三一重工、中联重科等具有较强的海外营销实力外，其它几乎还不具备这一能 力1 3 , 4 , 5 , 6 。 1 1 3 国外发展现状 世界市场对起重运输设备的总体需求正在不断增长。随着工业生产自动化程度的提 高和生产规模的不断扩大，以及控制生产过程中物料搬运费用对赢利影响的增加，企业 在生产中越来越倾向采用大型、高效、自动化的起重运输设备。德国是世界上最大的起 重运输机械出口国，其起重运输机械的总产值位居机械制造业各类产品的首位。美国也 是生产起重运输机械的大国，目前有近1 5 0 0 家企业，9 万从业人员，年产值约1 2 0 亿美 元。日本起重运输机械的技术已达到世界先进水平，目前日本制造起重机械及其零部件 的企业约有1 2 0 0 家。国外的这些大型企业依托其长期培育的雄厚技术力量，不断开发 新技术，保持其领先的竞争优势。以近年来国际上的物料搬运技术专利为例，德国占 2 8 、美国和日本分别占2 1 ，其技术创新优势可见一斑【4 】。 1 1 4 起重运输机械的发展趋势 早在远古时期，人们就面临着“如何提升一个负荷”的问题，那时一直用拖拉和背 杠的方法来提升负荷或移动重的物体。随着文明的发展，埃及人使用一种吊架或动物( 如 马) 来提升和搬运重物。为了在船厂提升桅杆和其他重物，中世纪开发出了木制旋转起 重机。后来，人类逐渐开发出利用水力驱动、蒸汽驱动和电力驱动的起重机，起重机的 起重能力也达到2 0 0 0 吨以上【2 】。现在，随着相关科技的进步和国际市场竞争的日益加剧， 起重机科技含量得到明显提高。近年来该行业的发展趋势有以下几点1 7 1 ： 1 向大型化、高速化和节能化发展 由于科学技术的进步和工业生产规模的扩大，以及生产效率的日益提高，促使部分 起重运输机械向大型化和高速化发展，并且对可靠性和能耗提出更高的要求。 2 向自动化、智能化、数字化和信息化发展 2 长安大学硕士学位论文 起重机的迅速发展，在某种程度上得益于电气控制技术的发展。将机械和电子相结 合，将机械与液压相结合，将微电子技术、光缆技术、模糊控制技术等先进技术运用到 机械产品的行驶与控制上，从而起重机的自动化及智能化程度大大提高。 3 向成套化、系统化、集成化和柔性化发展 在起重机单机自动化的基础上，通过计算机把各种起重运输机械组成一个物料搬运 集成系统，通过中央控制室的控制，与生产设备有机结合，与生产系统协调配合。起重 机通过系统集成，能形成不同机种的最佳匹配和组合，取长补短，发挥最佳效用。目前 重点发展的有工厂生产搬运自动化系统，柔性加t n 造系统，商业货物配送集散系统， 集装箱装卸搬运系统，交通运输和邮电部门行包货物的自动分拣与搬运系统等。 4 向模块化、组合化、系列化和通用化发展。 用模块化设计代替传统的整机设计方法，通过不同模块的相互组合，可以实现用有 限种类的零部件、不同类别的模块组合为多品种、多用途、多系列的产品，这样即降低 了产品制造成本，提高了产品通用化程度，又充分满足了不同的客户，实现高效率的专藏 业化生产。目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已采用起重机模 块化设计，并取得了显著的效益。 i 。 5 向小型化、轻型化、简易化和多样化发展 实际中，有相当批量的起重运输机械是在一般的等通用场合( 如车间、仓库) 使用， 替代人工作业，实现的高效的生产作业，工作并不很繁重。这类起重机批量大、用途广i ， 为了降低制作成本，实现效益的最大化，必须将这类起重运输机械的尺寸规格减小，结 构简化。 6 运用新的理论方法、新的技术手段来提高产品设计水平 进一步应用计算机技术，不断提高产品的设计水平和精度。开展对起重运输机械载 荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究，开展对可靠性的试验研究，采用极限状态设 计法、概率设计法、优化设计、可靠性设计等，利用c a d 提高设计效率与质量，与计 算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体化。 7 采用新型结构、新型材料及新型工艺来提高产品可靠性 在结构设计方面，采用新薄壁型材和异型钢来减少结构的拼接焊缝，采用各种高强 度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。在机构 设计方面，进一步开发新型传动零部件，简化机构，以焊代铸，提高使用性能和可靠性。 在电控方面，开发性能好、成本低、可靠性高的调速系统和电控系统。 3 第一章绪论 8 重视产品的合理人机关系、外观造型与表面涂装 在对产品进行外观设计时，综合考虑人的审美、使用等因素，使产品设计更加人性 化，建立良好的人机关系。 1 2 研究目的和意义 现代起重机发展的总趋势是大型化、高速化、自动化和智能化。人们对于起重机性 能要求越来越高，不仅要求起重机重量轻、刚性好、作业空间大，而且要求起重机起升 机构和行走机构速度高。门式起重机作为物料搬运机械中的最主要的一种，起重范围可 以从几吨到几百吨，在机械制造、冶金、建筑、码头集装箱装运等行业中得到广泛的应 用。随着经济的发展，龙门起重机市场的需求量不断增长。据c a r g os y s t e m 统计，在 2 0 0 4 - 2 0 0 9 年交货定单中，中国堆场龙门起重机订单占世界总订单的3 4 ，而通用型中 大型门式起重机的需求量口益剧增。目前国内跨度最大的门式起重机是由武桥重工研制 的9 0 0 t 门式起重机，跨度达2 3 0 米 4 1 。而主梁是门式起重机整机最重要的部件之一，主 梁结构设计的合理性和可靠性对整机的工作能力和工作质量至关重要。以往对起重机箱 形主梁结构的优化设计主要集中在减小主梁截面面积，以降低主梁的总质量进而减少成 本为最终目的，而在保持主梁截面面积不变的情况下，对主梁截面合理尺寸布置深入研 究的很少，因此，有必要对该方面进行系统的研究，给出其优化理论，为今后类似结构设 计提供参考。 长期以来，起重机设计方法多采用以经典力学和数学为基础的半理论、半经验设计 的传统设计方法，这种设计方法不但周期长，精度低，浪费材料，而且不能及时了解主 梁结构设计的合理与否，不能给设计人员及时反馈必要的结构改进信息。近年来随着电 子计算机技术的广泛应用和系统工程、优化工程、价值工程、可靠性工程、创造工程、 人机工程等现代设计理论的不断发展，促使许多跨学科的现代设计方法出现【8 , 9 , 1 0 。如果 使用有限元结构分析方法，采用当今先进的大型有限元分析软件，利用计算机强大的信 息处理能力，则可以方便、及时、准确、直观地得到主梁每一处的应力、应变的变化分 布规律，从而对结构设计中不合理之处及时改进。所以，采用现代设计方法对起重机主 梁结构进行优化研究，可以使其更加合理，材料得到充分利用，从而能够更好的满足用 户需要。 “十二五 期间，国家重点发展能源、港口、电力、石化、冶金、造船、交通等工 业领域，在这些行业快速发展的同时均离不开起重运输设备。门式起重机作为一种重要 4 长安大学硕士学位论文 的起重运输设备，广泛应用于厂矿、车站、港口、电站等工矿企业。随着经济的发展， 它不仅在国民经济中占有重要的位置，在社会生产和生活的领域的应用也不断扩大 9 1 。 而主梁作为起重机的主要工作部件，它的刚度、强度和稳定性必须充分保证。本论文采 用的大型有限元分析软件的现代设计方法是一种非常有效且简便的方法，极大地缩短设 计周期和设计成本，提高了工作效率，这对保证起重机的安全可靠和优化结构具有重要 的工程实用价值。对主梁结构截面的优化研究，可用于其他大型箱梁结构主梁的设计分 析，对类似的实际工程问题具有一定的理论指导作用。 1 3 论文主要研究内容 1 3 1 起重机基本结构特点 本论文的研究对象为某公司加工制作的单梁双吊钩门式起重机，其结构示意图见图 1 1 。该起重机的金属结构主要由主梁、人字形支腿、底纵梁等组成。起重机主梁采用断 面为2 8 5 0 m m x l 8 0 0 r a m 的矩形钢箱梁，主梁中部间距2 0 m 放置2 台单台起重能力为2 0 0 t 的连续起升千斤项，千斤顶通过其下的小车可以实现小幅度的横向微动。为降低制作成 本，该起重机人字形支腿采用某滑移模架系统m s s 4 5 的牛腿梁，牛腿梁的截面为箱型 结构，支腿通过对扣的槽钢实现横向联接。 该门式起重机主要是为青银高速公路济南黄河大桥主桥吊装钢箱梁而设计的，本文 主要对该起重机的金属结构进行理论分析与研究，所用到的起重机的主要性能参数见表 1 1 ： 表1 1 门式起重机主要性能参数 起重量m1 9 0 + 1 9 0 工作制度 a 4 总高度( m ) 3 5 5 跨总跨度( m ) 4 6 8 度净空跨度( m )4 4 9 起千斤顶型号 l s d l 0 0 0 d 升起升速度( m m i n )1 机 构 起升高度( m ) 3 0 运行速度( m m i n ) 1 1 风 最大工作风速( r r d s ) 1 5 6 速 最大非工作风速( m s ) 2 8 支撑型式三轨两轮支撑 第一章绪论 1 3 2 本论文研究内容 本论文依托实际工程项目，利用现代设计方法对m d e l 9 0 t + 1 9 0 t 单梁双吊钩门式起 重机进行钢结构理论分析，用a n s y s l l 0 大型有限元分析软件对该起重机主梁结构进 行优化设计。具体研究内容如下： 1 、利用有限元分析软件a n s y s l l 0 建立该门式起重机的有限元模型；选取典型 工况，对起重机整体结构进行强度、刚度及屈曲稳定性分析，得到了该门式起重机在不 同工况下的应力、应变云纹图和屈曲稳定系数。 2 、提升系统是门式起重机的重要部分，通过对该门式起重机的吊具结构的力学性 能分析，对吊具结构进行局部改进，并进行了验算。 3 、根据模态分析的理论基础，对该门式起重机进行模态分析，得到其前1 0 阶的固 有频率及相应振型。 4 、在满足强度和刚度要求的前提下，对该起重机建立数学模型，进行主梁结构优 化分析，使主梁结构质量最小。 5 、对优化后的主梁重新在a n s y s 中建模进行强度、刚度与稳定性分析，验证优化 方案的合理性和可靠性。 】，； 。厂厂 、 l卅【ng 5 i 寸r i _ l ili _ li| |_ li l 霄 1r ii ii c 堪uh| ii | i 宙h 词l iiihi jl 猡1 h 么 + 1h ir熊1 1邕 r 。| 一目i t一 t 图1 1 单梁双吊钩门式起重机总体结构示意图 1 横梁l2 横梁23 小车4 千斤项底座5 连接板 6 梯子、平台组装 7 支腿横撑 8 底纵梁9 车轮组 i o 支腿1 1 连接板 6 长安大学硕士学位论文 第二章门式起重机结构有限元分析 起重机的主梁结构是整个设备的重要组成部分，它的强度和刚度对整个起重机的安 全和使用性能具有重要的影响。因此，为了保证整机的安全可靠，用大型有限元法分析 软件对主梁结构进行强度和刚度分析是非常必要的。分析结果较常规的计算方法更为准 确和可靠，且可获得常规方法难以得到的局部区域应力和变形分布规律。 本章选取门式起重机工作中的典型工况对主梁的强度、刚度进行分析，并进行屈曲 稳定性分析，分析结果可以为主梁的结构设计提供重要的参考，并为下一步结构优化提 供理论依据。 2 1 起重机金属结构有限元模型的建立 有限元模型的建立是用有限元解决实际问题中最重要的环节，该过程主要包括几何 建模、定义材料属性、单元选择与网格划分、约束条件及载荷处理等。有限元模型必须 尽量反映研究对象的力学特性，从而提高有限元计算精度【1 1 , 1 2 , 1 3 】。另外还应注意以下几 点： 1 、在保证计算目的和精度的条件下，控制单元数量，关键在于对所关心的区域进 行模拟。在实际建模过程中可以考虑采用局部细化网格，或者建立结构子模型以减少单 元划分数量。 2 、合理选择单元类型，减少输入数据量和计算时间。根据所分析结构的几何形状 特点，综合载荷、约束等因素来确定单元类型。 3 、计算模型中不能有危形结构和局部机动变形。所谓危形结构，就是指受到很小 的载荷作用就会产生非真实大应力响应的结构。一个拉的非常平直的绳子受到横向力作 用就是典型的危形结构的例子。所谓局部机动变形，指受到很小的作用力，即可产生非 常大的不真实变形的结构，如一组平行四边形状的四连杆结构。这类非弹性结构在机构 运动学中可能存在，但在弹性体中是不允许存在的。因此要在计算模型中仔细分析，使 之得到有效的约束。 4 、避免病态方程。位移法有限元计算中，如果遇到两个方程系数的差值过大，计 算中会出现两个大数减法，这就大大损失了计算精度，有时会得到错误的结果。这就是 数值计算理论中的病态方程。在有限元分析中应尽量避免这种情况出现。 5 、正确确定边界条件。 7 第二章门式起重机结构有限元分析 2 1 1 主梁几何模型的建立 在用有限元法对结构进行分析时，在满足准确性的前提下，首先要确定我们所关心 的细分部位或所研究的具体区域，对实际的金属结构进行合理简化【1 4 】。在简化的基础上， 建立几何模型以满足有限元分析的要求。这种简化特别是在处理一些复杂的结构时，显 的尤为重要。 因此，在建立起重机结构的几何模型时，在保证模型与实际结构尽可能相一致，以 使模型能够反映主梁的力学特性的原则下，对实际结构作必要的简化： 1 、略去了主梁上的小车轨道、护栏，支腿上爬梯等，将主梁两吊点处所受载荷视 为表面均布载荷施加在主梁腹板上端与盖板连接的局部区域内。 2 、假定起重机中所有焊缝按照设计要求全透焊，且不考虑焊缝处材料特性的变化， 认为焊接处的材料特性与相邻结构的材料性能相同。 3 、底纵梁与行走轮箱通过法兰支座及销子连接，对结构进行传力分析，在建模时， 省略行走轮箱及其上的法兰支座，将底纵梁与其上的法兰支座固结，看为一体；将支撑 销子下部结构看做有约束的支撑点，用梁单元来模拟。 4 、忽略主梁结构上的螺栓孔、连接板等对主梁分析结果影响不大的结构。 2 1 2 结构材料力学参数 起重机主题结构及起升系统吊具主要由两种材料组成：q 3 4 5 b ( 结构件) ，4 0 c r ( 销 轴) 。材料力学性能见表1 1 。参照起重机设计规范( g b t 3 8 1 2 0 0 8 ) ，钢材的强度安 全系数取刀= 1 4 8 。 表2 1 板材材料力学性能 材料材料特性屈服极限仃。m p a 载荷组合i 许用应力b 】。= - 彳 弹性模量e 2 0 6 ( 锄) q 3 4 5 b 3 4 52 3 3 泊松比p o 3 密度( 堙m 3 ) 7 8 5 0 8 长安大学硕士学位论文 表2 2 销轴材料力学性能 材料材料特性 屈服极限仃，m p a 载荷组合i 许用应力b 】。= 。么 弹性模量e 2 0 6 ( 觎) 4 0 c r4 9 03 2 6 泊松比“ 0 3 密度( k g m 3 ) 7 8 5 0 3 1 3 起重机有限元模型的单元选择及网格划分 在门式起重机结构的几何模型建成，材料属性给定，建模单元选好后，下面的步骤 是划分移动模架系统各结构的有限元网格。因为网格划分的好坏将会对随后的计算精度 和速度产生直接的影响，所以在有限元分析中网格的划分是一个较为重要的步骤。为了 能够建立一个既正确又合理的有限元分析模型，划分网格时应注意到以下几点 1 5 , 1 6 ： 1 网格的数量：有限元模型计算结果的精度和计算量主要由划分网格时的网格数 量多少来决定。一般来说，适当的增加网格数量会提高计算的精度，但与此同时增加的 还有计算量的大小，所以要综合考虑以上这两个因素来确定网格的数量。通常，在能够 保证计算精度的前提下，划分网格时应尽量减少网格的数量。 2 网格的疏密：为了适应计算数据的分布特点，在网格划分时要在结构的不同部 位根据要求选用大小不同的网格，即在像应力集中处这样的计算数据变化梯度较大的部 位，为了能够较清晰地反映数据的变化规律，划分网格时需要采用相对比较密集的网格； 而在计算数据变化梯度较小的部位，为了能够减小模型的规模，则应尽量采用相对稀疏 的网格。这样，为了适应计算数据的分布特点，所建模型的整个结构便会表现出疏密不 同的网格划分形式。在静力分析中，对于比较感兴趣的结构部位，适宜划分相对较密集 些的网格，其他部位的网格则可以相对稀疏些。 3 单元的形状：三角形板单元和四边形板单元是建模时比较常用的两种空间板壳 单元。通常在工程中结构的应力场都是随着坐标的变化而不断变化的，因为三角形板单 元中的应力以及应变都是常量，所以如果要应用常应交三角形单元来建模，又要保证能 够得到较好的计算精度，就必须要布置大量的、密集的单元，这样做的不足之处是节点 数量偏多、方程组比较庞大，而且所需的计算时间也很多。相比之下，单元位移函数采 9 第二章门式起重机结构有限元分析 用二次以上多项式的矩形单元，其内部的应力和应和都是变化的，因此应用比较少的单 元就能得够很好的反映出实际的应力变化情况，得到比较理想的计算结果。结合 m d e l 9 0 t + 1 9 0 t 龙门起重机的金属结构特点，在此选择四边形板壳单元进行网格划分。 4 网格的划分方式：网格可分为自由网格和映射网格两种。自由网格对于几何实 体模型并没有什么特殊的要求，任何模型( 规则的或不规则的) 都可以进行网格的划分， 并且划分时不需要遵循特定的准则。映射网格划分时不仅要求面或体是有规则形状的， 而且划分时还必须要遵循一定的准则。自由网格划分可以只由四边形板单元或只由三角 形板单元这样一种单元组成，也可以由两种单元混合组成；而映射网格划分只能包含四 边形或三角形其中的一种单元，映射网格的形状和单元排列都较为规则，其计算精度也 较高。根据门式起重机模型特点，在此选用自由网格划分方式。 建立的门式起重机的有限元模型如图2 1 所示：共划分s h e l l 6 3 板壳单元2 7 1 4 2 个， 梁单元1 4 4 个，节点数共2 5 1 3 0 个。 图z 1 起重机有限元计算模型 2 1 4 边界条件的处理 1 、载荷的处理 有限元法中认为力是通过节点来传递，在整体刚度方程中的载荷项均为节点载荷。 因此，当单元受有非节点载荷时，必须将其向节点移置，即将非节点载荷换算成作用在 长安大学硕士学位论文 节点上的效果相当的集中载荷即称等效节点载荷。非节点载荷移置方法如下： ( 1 ) 有非节点载荷作用的单元的两端位移完全约束住，再根据材料力学中求支反力的 方法，求得梁单元两端的反力，称固端力。 ( 2 ) 将固端力反号，并进行坐标变换，即得整体坐标系中的等效节点载荷，可将它直 接输入结构整体刚度方程的载荷向量中去进行计算。 对于该门式起重机结构所受外载荷的处理，是将作用在起重机上的外载荷简化为等 效载荷加到起重机相应部位上。在有限元模型中，载荷按如下方式处理： ( 1 ) 起重机的自重：在前处理程序中输入材料的密度，在求解程序中输入重力加速度， 程序便根据所输入的单元截面形状、实常数等，自动将其处理为分布载荷加载到结构上。 ( 2 ) 固定在主梁上的小车自重：将其简化为表面均布载荷，直接施加在主梁的相应部 位上。 ( 3 ) 吊具及钢绞线机构自重：根据其布置位置及受力特点，将其随小车自重按均布载 荷一起加到主梁相应位置。 ( 4 ) 起重机所受的风载：该提梁用起重机应用在露天及城市郊外的环境中，在计算典 型工况时均考虑风载所引起的附加力的影响，其按单位面积上承受的风压进行计算。 2 、约束条件的处理 在用有限元对金结构特别是复杂结构进行分析时，约束条件的处理是重点和难点。 不恰当或不正确的约束，会导致计算结果与实际有较大出入，甚至计算失败。 对结构进行有限元分析，为了使数值存在且唯一，必须消除结构中的刚体位移，以 保证结构总体刚度矩阵非奇异。该起重机结构有限元模型中的主要约束问题是底纵梁与 行走轮箱连接处底纵梁法兰座的支撑问题。因为该起重机是三轨两轮支承型式，处理这 个问题的关键是要保证底纵梁承受的支承反力与实际相同，并且尽可能避免出现局部应 力集中现象。 论文主要研究对象是主梁结构，在处理底纵梁法兰支座与连接销子时，梁单元 b e a m l8 8 来模拟销子，销子与法兰支座的连接孔全耦合；与连接销连接的下部法兰也用 b e a m l 8 8 模拟。在对起重机施加约束时，综合考虑起重机行走机构的特点，确定在两侧 支腿前进方向( 即全局坐标中的x 方向) 释放一个位移自由度，在一侧支腿y o z 平面内 释放一个旋转自由度，其他自由度全约束。 第二章门式起重机结构有限元分析 2 2 刚度、强度分析 在对研究对象进行强度和刚度分析时，首先要确定计算工况，选取典型工况即设备 在实际工作中可能出项的各种工况和最危险情况进行分析，确定各部分的应力应变情 况，为对其进一步的结构优化和设计提供重要理论依据。本论文研究对象起重机主要用 于某黄河大桥主桥钢箱梁的吊装，主桥钢箱梁共计4 6 个梁段，根据其梁段长度、钢板 厚度等，钢箱梁划分为a 、b 1 、b 2 、b 3 、c 、d 、e 1 、e 2 、f 1 、f 2 、g 共计1 1 种类型， 其中标准梁段长1 5 米，宽4 0 8 米，高3 5 米，重2 9 7 t 。根据起重机的结构特点和使用 功能，选取五种工况进行强度、刚度分析和屈曲稳定性计算。 2 2 1 载荷计算 1 、自重载荷 有限元分析软件a n s y s l l 0 具有模型自重加载功能，正确设定好重力加速度后， 程序会将各结构的自重作为载荷自动加载到各结构上。 2 、起升载荷 根据起重机设计手册和起重机设计规范( g b t 3 8 1 1 2 0 0 8 ) ，起升载荷主要 包括起重机允许吊起的最大载荷和吊具的重量。对于静载试验工况，静载系数取1 2 5 ， 即起重机所承受的起升载荷为额定载荷的1 2 5 倍；对于其它工况，由于起重机在起吊钢 箱梁时起升平稳，根据起重机的起升状态级别，起升载荷动载系数取1 1 ，即起重机所 承受的起升载荷为额定载荷的1 1 倍。该起重机设计额定载荷3 8 0 吨，单个吊具的重量 7 5 吨，起升载荷作为表面均布载荷施加在起重机主梁相应位置上。 对于静载试验工况： 岛= 妒g 桀+ 2 x g 吊2 1 2 5 x 3 8 0 x 1 0 4 + 2 x 7 5 x 1 0 4 _ 4 9 0 x 1 0 6 n 对于其它工况： 忍= t p g 鬃+ 2 x g 吊= 1 1 x 3 8 0 + 2 x 7 5 x 1 0 4 = 4 3 3 x 1 0 6 n 其中：g 粱一起重机的额定起重量，单位； g 名一单个起吊吊具重量，单位n ； 9 一起升载荷系数 3 、水平惯性载荷 1 2 长安大学硕士学位论文 起重机和天车的水平惯性载荷以加速度的方式直接在有限元程序中设定，箱粱 及吊具的水平惯性载荷作为集中载荷施加在主梁吊点位置。 口l：鱼：竺笙：15x(173+15x2)x0064：o1ms2 l = o = 二二- = 一= u 1 ，s 1 m im 1 1 7 3 + 1 5 x 2 p h 22 缈m 2 a 一 = 1 5 ( 3 8 0 1 0 3 + 7 5 2 1 0 3 ) 0 0 6 4 = 3 7 9 2 0 n 其中：9 一系数，取t p = 1 5 ； 码起重机和天车的质量； 聊，一箱梁和吊具的质量； 口一起动( 制动) 加速度，取a = o 0 6 4 m s 2 ； 口l 起重机及天车起动( 制动) 加速度 、 4 、风载荷 ( 1 ) 在户外工作的起重机承受风载按下式计算： 昂= c k h 叫 式中：c 一风力系数； & 吒一风力高度变化系数，起重机在工作状态下取1 ； g 一计算风压( n m 2 ) ； 彳一起重机和起吊物品垂直于风向的迎风面积( 聊2 ) ( 2 ) 风力系数c 的选取 风力系数与结构物的体型、尺寸有关，起重机在工作状态下正面取c - - - 1 5 5 ， 侧面取c = 1 。 ( 3 ) 计算风压 按照规定，计算风压按空旷地区离地面1 0 米高处的风速计算。起重机工作状态按 瞬时风速计算。 g 兀= 0 6 1 3 0 2 = 0 6 1 3 x1 5 6 21 4 9 2 n m 2 1 3 第二章门式起重机结构有限元分析 式中：q n 一兀类载荷风压( n m 2 ) ； u 一计算风速，在7 级风下，取u = 1 5 6 m s ( 4 ) 计算迎风面积 起重机结构和其所吊钢箱梁的迎风面积，按其净面积与最不利风向的垂直投影面积计 算。工作状态起重机金属结构的迎风面积为： 正面a 1 = 3 9 1 2 m 2 侧面a ，= 7 9 8 3 m 2 。 + ( 5 ) 综上，起重机所受风载为： 正面：= c k h q a l = 1 5 5 x l x l 4 9 2 x 3 9 1 2 = 9 0 4 6 8 9n 侧面：最= c k h q a 2 = 1 5 5 x l x l 4 9 2 x 7 9 8 3 = 1 8 4 6 1 5 ( 6 ) 施加风力载荷 在有限元分析中，可将风载当量成横向的惯性加速度加到起重机有限元模型上，由 起重机自重约为1 7 0 吨，则起重机的纵向加速度和横向加速度分别为： 口l ：生：9 0 4 6 8 9 n ：0 5 3 2 m ，s 2 口_ = o = 一= s m 1 7 0 0 0 0 r g 口：生：1 8 4 6 1 5 n = o 1 l o m - s 2 口，= o = 一= u i l u s 一 m 1 7 0 0 0 0 k g 5 、其它载荷 起重机的主梁上每个吊点处各有一个天车和钢绞线导架，单个天车自重为1 5 吨， 钢绞线导架自重为o 5 吨，其均作为表面均布载荷随钢箱梁一起施加在吊点处。 2 2 2 计算工况及结果分析 对该门式起重机的工作过程进行综合分析，现选择5 种典型工况对其进行静强度、 静刚度和稳定性计算。 1 、工况一( 静态刚性校验工况) 根据起重机设计规范，该工况考虑的载荷有：起升载荷、其它载荷。计算该工 况的目的在于分析提梁机整机的静刚度是否满足挠跨比的要求。 计算结果如图2 2 所示。由图可知，在该工况下最大竖直向下变形为 = 。8 1 3 8 5 聊，故挠跨比为：允= 了a = 0 0 矿8 1 3 8 5 = 击 击，故满怠静刚度要求。 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 2 起重机工况一y 向位移云图( 单位：m ) 2 、工况二( 静载试验工况) 根据起重机试验规范和程序( g b 5 9 0 5 ) ，对起重机进行静强度、静刚度检测时， 要求起重机大车静止，天车缓慢起吊钢箱梁，静载系数取1 2 5 ，静载实验的目的是检验 起重机及各部分的承载能力。该工况考虑的载荷有：起升载荷、起重机自重。 计算结果如图2 3 所示。由图可以得到，该起重机在该工况的最大应力为 仃。= 2 2 7 m p a ，最大应力位于主梁与支腿连接位置的主梁隔板包筋的正下端处。材料 q 3 4 5 b 的许用应力【仃】- 2 3 3 m p a ，仃一 【仃】，故在该工况下起重机满足结构强度要求。 ( a ) 起重机的全局应力云图( 单位：p a ) 第二章门式起重机结构有限元分析 ( b ) 起重机主梁的y o nm i s e s 云图( 单位：p a ) ( c ) 起重机的局部应力云图( 单位：p a ) 图2 3 起重机工况二应力和位移云图 3 、工况三( 无风载工况) 计算 该工况考虑的载荷有：自重载荷、起升载荷、水平惯性载荷和其它载荷。 计算结果如图2 4 所示。由图可以得到，该起重机在该工况的最大应力为 仃。= 2 1 3 m p a ，最大应力位于主梁与支腿连接位置的主梁隔板包筋的正下端处。材料 0 3 4 5 b 的许用应力 a r = 2 3 3 m p a ，仃。戤 【仃 ，故在该工况下起重机满足结构强度要求。 1 6 长安大学硕士学位论文 ( a ) 起重机的全局应力云图( 单位：p a ) ( b ) 起重机主梁的v o nm i s e s 云图( 单位：p a ) ( c ) 起重机的局部应力云图( 单位：p a ) 图2 4 起重机工况三应力和位移云图 1 7 第二章门式起重机结构有限元分析 4 、工况四( 侧面风工况) 计算 该工况考虑的载荷有：自重载荷、起升载荷、水平惯性载荷、正面风载和其它载荷。 计算结果如图2 5 所示。由图可以得到，该起重机在该工况的最大应力为 仃。= 2 1 5 m p a ，最大应力位于主梁与支腿连接位置的主梁隔板包筋的正下端处。材料 q 3 4 5 b 的许用应力p 】- 2 3 3 m p a ，仃一 【仃】，故在该工况下起重机满足结构强度要求。 w o 一“ 瞰型j l ；。t e 9 三 “= 0 9 ：5 4 |s u 已= l 个】) o 芷。1 s e q v f a v g d m x = 0 9 3 2 6 s m n = 1 3 c9 5 s - 科= 2 1 5 e + 0 9 ( a ) 门式起重机的全局应力云图( 单位：e a ) ( b ) 门式起重机主梁的y o nm i s e s 云图( 单位：p a ) 1 8 长安大学硕士学位论文 n o d a ls l u t i s t e p - ： s ：l b = 二 ：】) 正z 】 s a v ( z ， d - 弘= 0 8 2 0 8 6 s m n - 二2 9 日b s 科= 2 1 5 e + 0 ( c )门式起重机的局部应力云图( 单位：p a ) 图2 5 门式起重机工况四应力和位移云图 5 、工况五( 正面风工况) 计算 该工况考虑的载荷有：自重载荷、起升载荷、水平惯性载荷、侧面风载和其它载荷。 计算结果如图2 6 所示。由图可以得到，该起重机在该