四梁六轨铸造起重机金属结构应力仿真分析.doc

中国冶金装备网中国冶金人的网四梁六轨铸造起重机金属结构应力仿真分析石怀瑞 李友荣 肖涵摘 要：采用有限元分析方法，对四梁六轨铸造起重机桥架进行应力和变形分析，并对跨中腹板焊缝采用“板到体子模型”方法进行精细分析，得到焊缝处的应力分布状况。分析结果表明：四梁六轨铸造起重机桥架的内主梁跨中是应力和变形最大的部位，当主小车满载位于桥架跨中时，内主梁跨中腹板及加强筋板与下翼缘板连接处焊缝的最大应力均已超过了焊缝的疲劳极限应力，是桥架的危险部位，应经常检查。关键词：四梁六轨铸造起重机；应力仿真；子模型技术Stress Simulation of Metal Structure in 4-beams-6-tracks Ladle CraneShi Huairui Li Yourong Xiao Han(Key Laboratory of Metallurgical Equipment and Control under the Ministry of Education, Wuhan University of Science and Technology, 430081)Abstract: Stress and distortion of a 4-beams-6-tracks ladle crane are analyzed with finite element method. In order to obtain the welding stress distribution of mid-span web, shell-to-solid sub-model method is introduced to get the accurate results. It is found that stress and deflection of the Inside main girder reach the maximum. While the main hook is fully loaded at mid-span, the maximum stress of welding at mid-span web and the strengthening tendon-web joined with the bottom web, which is the dangerous position of the crane and should be checked frequently, has exceeded the fatigue limit.Keywords: 4-beams-6-tracks ladle crane; stress simulation; sub-model method0 前言随着我国冶金企业生产规模的扩大，自动化程度的提高，作为液态金属搬运重要设备的铸造起重机在现代化生产过程中的作用越来越大，并且冶金企业对铸造起重机的要求也越来越高1。而铸造起重机工作条件极为恶劣，需要在高温、多尘、重载、频繁起制动条件下工作，一旦其金属结构发生破坏，造成的后果将极其严重2。因此，展开对铸造起重机金属结构应力仿真的研究，掌握其应力分布，对于预防铸造起重机结构破坏事故的发生，指导铸造起重机的设计、制造、检验与管理都具有重要意义3。1 四梁六轨铸造起重机简介某炼钢厂四梁六轨铸造起重机的四根主梁上铺设六根轨道，副小车占用内侧两根轨道，在两根内主梁内侧腹板上方铺设的轨道上运行；主小车占用四根轨道，在外主梁内侧腹板上方和内主梁外侧腹板上方铺设的轨道上运行。内外主梁之间用铰轴连接，两根内主梁之间用连杆连接，结构简图如图1所示。a）俯视图 b）A向视图图1 四梁六轨铸造起重机结构简图1-内主梁；2-外主梁；3-主小车；4-副小车；5-主起升吊具Fig.1 Schematic diagram of a 4-beams-6-tracks ladle crane1- Inside main girder; 2- Outside main girder; 3- Main trolley; 4- Aux. trolley; 5- Main hook 该结构形式的优点如下：（1）4根主梁承受主小车载荷，载荷分布合理，主梁受力均匀。外主梁截面尺寸小、重量轻，降低了制造、运输、安装的难度；（2）铰接式端梁桥架，解除了结构中的多余约束，变刚性端梁桥架的超静定结构为铰接端梁桥架的静定结构，使桥架的端部和主梁头部不承受水平弯曲应力，避免了结构过早出现疲劳裂纹的可能性。缺点：内主梁受力复杂且结构位置小4-5。该桥吊位于炼钢转炉的炉前跨，用于将喷吹脱硫后的铁水罐吊运到扒渣机处，副钩使铁水罐倾斜实现扒渣，然后将铁水罐吊运到转炉处向炉内兑铁水。2 建立起重机模型 铸造起重机桥架金属结构比较复杂，主体为箱形结构，箱形结构的特点是板材长宽尺寸远大于其厚度尺寸，所以在进行总体分析的时候对箱形梁选用板单元进行分析。在建立有限元模型时对于分析结果影响不大的部位做了适当的简化，去掉了一些辅助的栏杆、加强筋板、走台、扶梯、配电管道等。由于铸造起重机桥架结构完全对称，故只需取其一半进行仿真分析。选定沿着主梁方向为X向，沿着大车运行方向为Y向，垂直运行轨道平面的方向为Z向，所建立的有限元模型见图2。图2 铸造起重机有限元模型Fig.2 Finite element model of the ladle crane 为了更真实地模拟桥架的受力状态，采用三维实体单元模拟小车轨道，使上盖板受力均匀，轨道模型如图3 a）所示；而支承车轮组平衡台车的耳板厚度较大，不宜采用板壳单元，也采用三维实体单元，便于施加约束，如图3 b）所示，板单元与实体单元通过节点对应的关系连接起来。 a）轨道实体模型 b）耳板实体模型图3 局部三维实体单元Fig.3 Local three-dimensional solid elements3 仿真分析3.1 边界条件 边界条件的施加在有限元分析中是一个非常重要的环节，边界条件施加的正确与否会直接影响计算结果。整个起重机由平衡台车的铰接轴支承，对于桥架，可视为简支梁，利用多点约束进行施加。 桥架靠近司机室一端的主梁车轮平衡台车的铰接轴中心处，约束X，Y，Z方向的平动和沿Z方向的转动；同一侧另外两组车轮平衡台车的铰接轴中心处约束X，Z方向的平动和沿Z方向的转动。桥架远离司机室一端的主梁车轮平衡台车铰接轴中心处约束Y，Z方向的平动和沿Z方向的转动，同一侧另外两组车轮平衡台车的铰接轴中心处约束Z方向的平动和沿Z方向的转动。3.2 计算载荷该台铸造起重机主要参数如表1所示。表1 起重机主要参数Table 1 Main parameters of the ladle crane主小车额定起重量/t副小车额定起重量/t跨度/m主小车自重/t副小车自重/t桥架自重/t4508021.426732361起重机桥架在工作状态时，所受到的载荷为结构自重和铁水罐及铁水的重力。（1）桥架自重。由于电器等设备分布于主梁各处，可视为均布载荷，为方便计算，可用增大重力加速度的方法来取代电器设备的重力。由于只取桥架的一半进行计算，所以计算模型总重G为其一半，：G = G0/2 =180.5 t计算模型净重（按g=9.8m/s2，根据结构尺寸和密度由有限元程序计算）：G=75.002 t等效重力加速度为：23.585m/s2g重力加速度，取g=9.8 m/s2（2）铁水罐及铁水的重力。副小车所受载荷平均分布在两根内主梁内侧的四个车轮上。而主小车由于分跨外主梁和内主梁，其载荷主要为主小车自重和主钩吊重，主小车共有16个车轮，自重平均分布在各个车轮上；而对于主钩吊重，由于起吊点与内、外主梁轨道的距离不一样，不能简单按照平均分布来进行处理，其分布规律如图4所示。图4 主小车载荷分布图Fig.4 Load distribution of the main trolley根据图4，主钩吊重作用在外主梁和内主梁上的载荷分别为：， （1） （2）式中 G主钩吊重的一半；L1、L2 吊重点分别与外主梁、内主梁轨道的水平距离，L1=1450mm,L2=1700mm。为了掌握桥架在不同工况下的应力和变形，需要对以下几种工况进行计算： （1）主小车满载位于桥架跨中位置。该工况下，副小车车轮作用在轨道上的力P1=78.4kN；主小车车轮作用在内主梁轨道上的力P2=417.7kN，作用在外主梁轨道上力P3=460.6kN。（2）兑铁水、扒渣工况，主小车满载位于扒渣机一端，副小车无荷载。该工况下，主、副小车轮压与上一种工况相同。（3）兑铁水、扒渣工况，副钩使铁水罐倾斜，主钩吊重为370t，副钩吊重为80t。该工况下，副小车车轮作用在轨道上的力P1=274.4kN；主小车车轮作用在内主梁轨道上的力P2=372.5kN，作用在外主梁轨道上力P3=407.8kN。3.3 桥架材料的物理特性桥架主体采用的材料是Q235钢，其物理特性见表2。表2 常温下Q235钢的物理特性Table 2 Physical characteristics of Q235 at normal temperature体积密度(g/mm3)弹性模量MPa泊松比屈服强度MPa7.852.11050.32353.4 应力分析的计算结果分别对以上三种工况下的桥架进行有限元分析计算，计算结果显示：（1）主小车满载位于桥架跨中位置时，母材最大应力发生在内主梁跨中下盖板处，应力为90.882MPa，外主梁跨中下盖板的应力为87.426MPa（图5a）；在该工况下跨中绕度也达到最大，外主梁跨中下绕为14.824mm，内主梁跨中下绕为16.217mm（图5b）。 a）桥架第一主应力云图 b）桥架绕度云图图5 跨中位置有限元计算结果图Fig.5 Calculation results at mid-span of the ladle crane （2）主小车满载位于扒渣机一端，副小车无荷载时，外主梁腹板剪应力值较大，此工况桥架的剪应力云图如图6 a）所示，外主梁端部拐角处腹板的剪应力较大，达到58.781MPa。（3）兑铁水、扒渣工况，副钩使铁水罐倾斜时，内主梁腹板剪应力值较大，此工况下桥架的剪应力云图如图6 b）所示，内主梁端部拐角处腹板的剪应力较大，达到51.173MPa。 a）主小车满载位于扒渣机一端，副小车无荷载时 b）兑铁水、扒渣工况，副钩使铁水罐倾斜时 图6 内、外主梁端部拐角处腹板剪应力云图Fig.6 Shear stress distribution around the corner of the web 4 焊缝子模型分析4.1 创建子模型在起重机整体模型计算中，所划分板单元网格尺度均在100200mm之间，焊缝尺寸仅为7mm，因此在整体模型中无法精确反映焊缝部位的真实应力状态。从整体模型分析结果知，当主小车满载位于跨中时，内主梁跨中部位是桥架应力最大的部位，为了精确计算出该部位焊缝的应力，采用由板到体的子模型分析方法对该部位焊缝进行精细分析6。控制焊缝处的网格尺寸不大于2mm，所创建的子模型如图7所示。图7 内主梁跨中焊缝子模型Fig.7 Sub-model of the mid-span welding4.2 子模型计算结果内主梁跨中焊缝子模型的应力计算结果如图8所示，由图可见，母材下翼缘板和主腹板靠近跨中加强筋板圆角处出现较大的应力集中，拉应力值较大，分别为104.159MPa和106.269MPa（图8 a）。下翼缘板和主腹板处焊缝在跨中位置也存在应力集中现象，应力值达106.055MPa；下翼缘板与跨中加强筋板焊缝处应力值也达到了107.733MPa（图8 b）。进一步分析可知该处焊缝处于三向受拉状态，应按最大拉应力理论进行校核。置信度取95%时，丁字接头气保焊与埋弧焊焊缝r=0.3的脉动循环疲劳极限应力为95.63 MPa7，内主梁跨中焊缝的最大应力已超过该值。 a）母材应力云图 b）焊缝应力云图图8内主梁跨中焊缝处的第一主应力云图Fig.8 1st principal stress distribution of the mid-span welding5 结论（1）由于桥架整体尺寸很大，故需采用以尺度较大的板单元为主的整体模型进行计算；而对于焊缝，必须采用“板到体子模型”用尺度较小的三维实体单元进行精细分析。（2）四梁六轨铸造起重机桥架的内主梁跨中是应力和变形最大的部位。（3）子模型计算结果表明，当主小车满载位于桥架跨中时，内主梁跨中腹板及加强筋板与下翼缘板连接处焊缝的最大应力均已超过了焊缝的疲劳极限应力，是桥架的危险部位，应经常检查。参考文献1 栗建彬，马其云，董存武铸造起重机在冶金行业的应用现状与未来J天津冶金，2007， (3) 11-142 徐兆春，曹天明，谢光志超大型铸造起重机机械结构形式的比较J冶金设备，2005，6(3)51-543 Zhao Yongxiang,Zhang Zhiwen. A Probabilistic Evaluation on Fatigue Life of Crane