【铸造起重机小车架有限元分析案例5300字】

铸造起重机小车架有限元分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u29192铸造起重机小车架有限元分析案例 1133671.1小车架设计方法及设计准则 2223541.1.1小车架设计方法 2193871.1.2小车架设计准则 3177261.2小车架载荷计算 4175791.2.1小车架载荷系数选取 4291741.2.2小车架载荷组合 5228021.2.3小车架载荷计算 6168201.3小车架有限元模型建立 7115481.1.1小车架模型简化 7157221.1.2小车架参数化建模 834851.1.3小车架加载位置和约束条件 9285731.4有限元结果分析 10有限元法是早期以变分原理为基础发展起来的一种高效能、常用的数值计算方法ADDINNE.Ref.{98169FDF-DEF9-4243-BE79-19C56A38BBEC}[46]。有限元法的基本思想是将复杂的连续体离散成有限个互不重叠的单元，每个单元设定有限个节点，这些节点将单元连接，形成一组由有限个单元组成的集合体。用节点位移量表达场函数的分布规律，利用变分原理或虚功原理等弹性力学原理建立平衡方程，将有限个单元集合成整个结构的方程式，根据边界条件求出方程组的解ADDINNE.Ref.{F8FA8E7E-131A-456B-B8BD-47DD9B936DEC}[47]。ANSYS有限元软件分析工程实际问题的一般过程：第一阶段是将工程结构的实际问题转化为可供计算机分析的有限元模型。有限元模型的合理性和正确性将缩小有限元分析结果与实际结果的距离。有限元建模包括三方面内容：一是选定单元类型、定义材料属性；二是构建分析对象的几何模型；三是划分网格。这一阶段也称为前处理阶段。第二阶段求解分析。求解分析的内容有：选择分析类型、对有限元模型施加约束和载荷、求解计算。常用的结构分析方法有静态分析、瞬态分析、模态分析。第三阶段是计算结果的加工处理和图形显示、输出。第三阶段也称为后处理阶段。图1.1有限元分析工程实际问题过程Fig.1.1Finiteelementanalysisoftheactualengineeringproblemprocess1.1小车架设计方法及设计准则1.1.1小车架设计方法关于起重机金属结构设计，虽然国内外已经有了很多新的设计理论、计算方法，如预应力设计方法、可靠性设计方法、动态设计方法等，但经常采用的是许用应力设计法和极限状态设计法。（1）许用应力设计方法许用应力法是指在外载荷作用下，结构及结构连接处产生的变形和应力小于其承载能力的设计方法。许用应力等于结构使用的材料的强度除以强度系数，对于铸造起重机这种经常工作在环境较恶劣的场合，需要再除以一个高危险度系数。许用应力设计法的典型流程如图1.2所示。许用应力法的优点是方法简单有效，除以安全系数的方式使结构的强度留有一定的安全余地，在起重机设计领域被广泛使用。图1.2许用应力设计法的典型流程图Fig.1.2Typicalflowchartofallowablestressdesignmethod（2）极限状态设计方法极限状态法是指在外载荷作用下，结构及结构连接处产生的变形和应力小于其极限承载能力的方法。以结构的失效概率来度量结构可靠度，建立结构可靠度与结构极限状态方程之间的数学关系ADDINNE.Ref.{5B62BD99-1343-43F3-8480-8EE6FE2F5D7E}[48]。极限应力是结构材料的屈服强度除以一个抗力系数得到的。在实际的工程中，有些结构在外载荷作用下出现大变形，变化的几何形状可能会引起结构的非线性响应，这种情况下，使用极限状态设计法能真实反映载荷对结构安全度的影响。极限状态设计法的典型流程如图1.3所示。图1.3极限状态设计法的典型流程图Fig.1.3Typicalflowchartofthelimitstatedesignmethod综上所述，虽然极限状态设计法更能反映外载荷对结构的影响，但由于本文研究的铸造起重机变形相对塔式起重机、汽车臂架起重机来说较小，采用许用应力设计方法更适用于本文研究的内容。1.1.2小车架设计准则铸造起重机主要应用于现代化钢厂起吊与运送钢水，在高温、多尘的环境下长时间作业，是炼钢厂物流搬运不可替代的重型机械设备。铸造起重机在工作过程中会受到多种外载荷的作用，金属结构作为铸造起重机的主要组成部分，其设计制造质量的优劣将直接影响整个起重机使用的安全性ADDINNE.Ref.{61BF7D9A-17DD-4A5C-A6CF-57F69C1B3747}[49]。静强度和静刚度作为起重机金属结构设计的两大主要准则，是保证起重机金属结构的使用性能和寿命的安全线，起重机金属结构设计必须满足的静强度和静刚度设计要求。小车架的金属结构材料主要是Q235、Q355，定滑轮梁、卷筒梁、端梁等承载结构件使用的材料是Q355。（1）静强度计算结构静强度的设计标准：（1.1）对于的Q355钢，许用应力计算公式为：（1.2）对于的Q235钢，许用应力计算公式为：（1.3）其中，为钢材的基本许用应力，单位：；为钢材的屈服强度，单位为；为钢材的抗拉强度，单位为；与载荷组合类别相关的强度安全系数，铸造起重机等失效会对经济生产、人员安全造成严重后果的起重机，安全系数等于强度系数乘以高危险系数。。取值见表1.1。表1.1强度安全系数n和钢材的许用应力Tab.1.1StrengthsafetyfactornandTheallowablestressofsteel载荷组合ABC强度安全系数n1.6281.4741.342许用应力/（N/mm2）（2）静刚度计算金属结构在外载荷作用下会产生弹性变形或振动。静刚度是指结构抵抗自身变形的能力。静刚度采用规定的载荷作用于结构的特定位置所产生的静位移（挠度）来表征ADDINNE.Ref.{2FE55E9B-2D49-4A42-8A66-D30FCE097A75}[50]NE.Cms_Insert。起重机结构的静刚度设计标准：（1.4）《起重机设计手册》中规定小车架的许用静刚度，（为小车架的跨度）。本课题研究的小车架跨度为13000mm，基于《起重机设计手册》小车架的最大允许变形为6.5mm，但小车架的静刚度设计准则偏于保守，已不适用于目前小车架的设计要求，需要提出更合适的许用静刚度值。1.2小车架载荷计算为保证铸造起重机的安全运行，正确分析计算小车架所受载荷是小车架结构设计计算的重要内容。根据铸造起重机的实际工作情况和GB/T3811《起重机设计规范》的载荷计算依据，对小车架进行载荷计算。1.2.1小车架载荷系数选取（1）起升冲击系数自重载荷PG是指小车架金属结构及其上的起升机构的重力。在小车架吊运重物起升离地时，或将悬吊的重物部分卸载或紧急下降制动时，小车架本身重量因振动而产生动力响应，因此，应考虑自重振动载荷。，。本文选取。（2）起升动载系数额定起升载荷PQ是指包括吊具重量在内的小车架能起吊的最大重量。当物品无约束起升离开地面时，物品的惯性力会使起升载荷增加，因此，需要考虑起升动力效应，起升载荷乘以一个起升动载系数：。与稳定起升速度和起升状态级别等相关，其值可按式（1.5）计算。（1.5）其中，为与起升状态级别相对应的起升动载系数的最小值，见表1.2；是按起升状态级别设定的系统，见表1.2；为稳定起升速度，单位为m/s，本文。表1.2参数和Tab.1.2Parameterand起升状态级别HC10.171.05HC20.341.10HC30.511.15HC40.681.20本文研究的铸造起重机起升离地有轻微冲击，根据表1.1，选取，，。（3）运行冲击系数主小车在不平的轨道上运行时会产生运行冲击载荷，运行冲击载荷用运行冲击系数乘以自重载荷与额定起升载荷之和来计算。本文研究的铸造起重机运行速度较低且轨道接头良好，运行冲击载荷取1。（4）动载系数该载荷是由于驱动机构加减速、意外停机或传动机构突然失效等原因引起的载荷。为了反映实际出现的弹性效应，将机构驱动加减速动载系数乘以引起加减速的驱动力或力矩的变化值(或)，并与加减速运动以前的力（F或M）做代数相加，该增大的力既作用在受驱动力的部件上成为动载荷，也作用在结构本身和起升质量上成为它们的惯性力。通常，较小的适用于力平稳变化的系统，较大的适用于力突然变化的系统ADDINNE.Ref.{D3416415-77D4-4B64-BC7C-6C0B07D899C1}[51]。本课题研究的铸造起重机传动系统无间隙，加速力或制动力变化连续平稳，取。1.2.2小车架载荷组合根据GB/T3811，在进行起重机及其金属结构计算时，应考虑三种不同的基本载荷情况：A——无风工作情况；B——有风工作情况；C——受到特殊载荷作用的工作情况或非工作情况。铸造起重机在室内正常作业，因此不需要考虑室外有风工况和特殊工况。因此，本课题只针对小车架在无风工作情况下的四种载荷组合进行静力分析，四种载荷组合如下：A1——铸造起重机在正常工作时，无约束地起升重物，且无工作状态风载荷以及其他气候影响产生的载荷，载荷组合为：；A2——铸造起重机在正常工作时，突然卸除部分起升质量，且无工作状态风载荷及其他气候影响产生的载荷，载荷组合为：；A3——铸造起重机在正常工作，悬吊着物品时，无工作状态风载荷及其他气候影响产生的载荷，由于铸造起重机主小车极少出现与起升机构联动工作的情况，且起升机构运行加速度很小，故不考虑驱动加速力的影响，载荷组合为：；A4——主小车在正常工作时，在不平道路或轨道上运行，无工作状态风载荷及其他气候影响产生的载荷，载荷组合为：。1.2.3小车架载荷计算225/63t-21.5m铸造起重机的小车架为左右对称结构，其上安装有起升机构，起升机构在小车架上的位置如图1.4所示。图1.4小车架及起升机构简图Fig.1.4Schematicdrawingoftrolleyframeandhoistingmechanism根据上述的载荷计算和工况分析，小车架的主要受力位置共有六处，如图1.5所示。按照许用应力设计法计算小车架六处载荷，小车架的载荷情况如表1.3所示。图1.5小车架载荷施加位置Fig.1.5Theloadingpositionofthetrolleyframe表1.3A1~A4工况下小车架载荷表Tab.1.3LoadtableoftrolleyframeunderA1~A4workingconditions载荷名称A1A2A3A4定滑轮组底座处载荷F1/KN2569221222122212卷筒组底座处载荷F2/KN286256256256减速器底座载荷F3/KN467467467467电机底座处载荷F4/KN67676767减速器单支座F5/KN87878787制动器底座F6/KN181818181.3小车架有限元模型建立1.1.1小车架模型简化铸造起重机的小车架是重要的承载结构，小车架的主要金属结构由定滑轮梁、卷筒梁、端梁组成。小车架具体结构如图1.6所示。图1.6小车架结构示意图Fig.1.6Schematicdiagramoftrolleyframestructure铸造起重机小车架的几何尺寸较大，结构较为复杂，在进行小车架建模和有限元分析时，需要将模型进行简化。模型简化的目的是为了提高建模的速度和分析的效率，但简化需遵循一定的原则，否则会导致模型脱离工程实际，使分析结果缺乏可信度。在进行小车架建模之前，对以下进行简化处理：（1）小车架上有为满足不同用途需要的附属结构，如挡板、扶手等，由于对结果的影响较小，建模时不需要建出。（2）小车架上的钢板为焊接而成，在建模时，使用焊接（GLUE）命令将两块钢板连接起来，不考虑焊缝对结构的影响，默认焊缝为与钢板同样的材料。（3）忽略钢板四周的倒角，不考虑各连接处的焊缝细节，在建模时将其建成规则钢板，如图1.7所示。（4）建模时忽略起升机构，按其相应载荷施加到小车架的相应位置上。图1.7钢板简化示意图Fig.1.7Simplifieddiagramofsteelplate1.1.2小车架参数化建模ANSYS提供两种建模操作方式，APDL和GUI。APDL是ANSYS进行参数化设计的语言。铸造起重机结构复杂、机构尺寸大，建模过程中可能存在多次修改和大量重复性工作，将存在变动的尺寸设置成参数，通过APDL编程语言实现修改可轻松解决上述问题。APDL还允许输入复杂的数据，对于分析模型的尺寸、材料的性能、载荷、边界条件的施加位置及网格的密度均可以通过APDL命令流的形式输入到ANSYS中，实现更加灵活地控制模型的结构形状、尺寸大小及其他相关特性。小车架模型主要分为定滑轮梁、卷筒梁、端梁及若干钢板，采用自下而上的建模方式，逐步建立小车架有限元模型。小车架的参数化主要包括尺寸参数和位置参数，尺寸参数主要有定滑轮梁、卷筒梁、端梁的截面尺寸，如盖板宽度、腹板高度、腹板厚度等，位置参数主要是箱形梁内隔板间的距离、翼缘板下的加劲板间的距离等。利用ANSYS对小车架进行参数化建模，小车架的单元类型为SHELL181，采用四边形和三角形网格单元对小车架进行网格划分，单元总数为73640，节点总数为71949，小车架有限元模型如图1.8所示。a）小车架正面b）小车架反面图1.8小车架有限元模型Fig.1.8Finiteelementmodeloftrolleyframe1.1.3小车架加载位置和约束条件使用ANSYS建立小车架参数化模型，按照实际情况施加载荷和约束条件。起升载荷通过定滑轮组底座、卷筒组两侧底座、减速器底座、电机底座、减速器单支座、制动器底座传递到小车架上，因此小车架主要受力位置可分为六处。根据底座的形状和位置信息确定加载的位置，将载荷施加在节点上。小车架为空间超静定结构，按空间简支梁约束与定滑轮组梁靠近的两个台座底面的5个自由度，只放开小车架沿轨道运行方向的移动自由度，约束与卷筒梁靠近的两个台座底面的6个自由度。载荷施加位置和约束条件各示意图如图1.9所示。图1.9小车架载荷位置和约束示意图Fig.1.9Schematicdiagramofloadlocationandconstraintsofthetrolleyframe1.4有限元结果分析（1）静强度分析根据本节1.2对小车架四种载荷组合的计算，得到在A1~A4载荷组合下小车架的最大应力，如表1.4所示。从图1.10中可以观察到，A1~A4载荷组合下的小车架的最大应力在端梁靠近的支腿附近。从应力云图可以看出，除了端梁靠近支腿处应力较大（可能是因为约束导致的）外，其他区域应力分布较为均匀，部分区域应力偏大由于载荷作用的结果，说明小车架结构整体布局较为合理，应力较大区域可适当增加板厚，而应力区域较小的地方可作减薄处理，在材料的许用应力范围之内，小车架结构的强度满足设计要求，可进行小车架优化设计，以节省材料，提高材料的利用率。表1.4小车架A1~A4应力表Tab.1.4TrolleyframeA1~A4stresstable工况A1A2A3A4许用应力（MP