门座式起重机结构强度分析

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门座式起重机结构强度分析
文章以某港口改造的门座式起重机金属结构为计算模型,按照《欧洲起重机机械设计规范》利用有限元分析软件ANSYS进行了强度计算,为整机的结构设计提供依据。

改造后的门座式起重机改变了部分结构,减轻了整机重量,降低了经济成本,适应了新的工作环境。

标签:门座式起重机;有限元计算;结构强度;载荷组合
该门座起重机是专为修、造船配套的起重机设备。

文章以其为主要研究对象,利用ANSYS10.0对金属结构进行建模分析,完成了不同工况下的结构强度分析。

1 门座起重机的组成
门座起重机的结构形式如圖1所示。

其主要由大车行走机构、门架、转盘、机器房、人字架、臂架系统等组成。

大车行走机构实现起重机的运行,转盘实现起重机臂架的回转,缠绕系统和臂架系统实现货物的升降,起重机的带载变幅等动作。

1-大车行走机构2-门架3-转盘4-机器房5-人字架
6-缠绕系统7-臂架系统8-主钩9-副钩
图1 门座起重机结构简图
2 门座起重机的载荷种类
2.1 固定载荷SG
固定载荷即为起重机的自重载荷,包括金属结构、机械装置、电气设备以及配重等。

2.2 额定起升载荷SL
额定起升载荷指总起升质量的重力。

2.3 惯性载荷。

由水平运动加速或减速引起的惯性载荷,可以用加速度值来进行计算。

SH=ac×(SG+SL)
式中,ac-运动部分对应的加速度。

2.4 侧向载荷。

当两个车轮沿一根轨道偏斜行走时,应考虑垂直于轨道的水平力所形成的力偶。

SK=■?姿P中,?姿-侧压力系数,取决于跨距与基距之比;P-受侧向力作用侧的起重机走轮上的最大总轮压。

3 模型建立
该起重机模型运用有限元软件ANSYS进行分析计算。

考虑到各部分结构形式和受力情况的不同,建模过程中采用了4种单元类型:梁单元Beam44、管单元Pipe16、杆单元Link8以及质量单元Mass21。

3.1 Beam44单元
Beam44具有拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元。

该起重机的端梁、横梁、机器房底座和部分人字架采用的是箱型梁与工字梁结构,这些部件都采用的Beam44单元类型。

3.2 Pipe16单元
Pipe16是一个轴向拉压、扭转和弯曲单元。

该起重机的门架、部分人字架和臂架系统采用的是Pipe16单元类型。

4 起重机载荷工况组合
4.1 起重机工作状态
4.1.1 臂架上仰27°、45°、58°、78°,同时起重机正常工作。

4.1.2 臂架水平,臂架下俯13°处于锚定状态,起重机不工作。

4.2 工况组合
该起重机的工况组合分为无风工作工况、有风工作工况和暴风工作工况。

如果行走运动只是为了调整起重机作业位置,而不是经常用于搬运货物,不考虑侧向力的影响。

各种工况下的载荷分别如下:
无风工作工况
有风工作工况
暴风工作工况
5 有限元法的计算原理
在文章的结构力学分析中,ANSYS采用变分学和最小势能原理进行求解。

以一端固定一段自由梁为例。

其总能量可用拉格朗日函数L表示。

(*)则其泛函数为,
由拉格朗日函数可知,L是?棕和w”的函数,即L=L(?棕,w”),?棕-为弹性梁的挠度。

其最小势能可用变分泛函数表示:
令?啄?仔=0,即可求出极值。

因为?啄w为任意函数,所以■=0,(■)=0,这两项为弹性梁的边界条件,第三项即为弹性梁的平衡方程。

所以平衡方程为■+(■)”=0,把(*)式代入,得
q+EIw”“=0
由推理过程可知,泛函数和平衡方程是等价的。

首先假设一组符合于边界条件的试调函数,并将其代入能量方程式中,再对试解函数的各个系数作微分,令之为零,找出能量方程式的最小值,最后解得试解函数的各个系数。

其中可以利用三角函数、幂函数等作为试解函数。

6 整机计算结果及分析
6.1 许用应力的规定
该起重机主结构制造材料为Q345B,其许用应力为:[?滓]=■,?滓s=345MPa,n为安全系数。

无风工况下的许用用力为230MPa;有风工况下的许用应力为259.4MPa;暴风工况下的许用应力为313.6MPa。

6.2 各个工况下的应力分布
计算结果中显示,工作工况在78°是出现最大应力213.238MP,位于变幅钢丝绳和臂架的连接处;非工作工况在-13°时出现最大应力240.704MP,位于转盘和臂架的连接处,如图2所示。

7 结束语
(1)在用ANSYS进行结构分析计算时,要全面考虑载荷组合及作用方式,尤其是作用力很大但是合力为零的载荷,如钢丝绳的预紧力等。

(2)在实际工作中起重机金属结构受力比较复杂,使用有限元软件ANSYS就可以较好的模拟起重机在各种工况下的真实应力情况,大幅度提高整体结构可靠性及安全性。

但是
ANSYS是个分析工具,对于具体的实际情况还是需要借助力学知识进行分析。

(3)通过计算结果可以得到模型的应力分布以及各节点力,可通过对数据的分析进行进一步的优化设计。

如调整结构板厚以及配重的质量,使得金属结构的整体应力分布最优化,使得结构质量尽量轻巧的同时又能满足结构可靠性的要求。

参考文献
[1]潘钟林.欧洲起重机机械设计规范[S].上海振华港口机械公司译丛(修订版),1998.
[2]陈玮璋.起重机金属结构[M].北京人民交通出版社,1986.
[3]李谷音.港口起重机械[M].人民交通出版社,2011.
[4]王勖成.有限元法[M].清华大学出版社,2002.。

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