大跨度轻量化桥式起重机主梁有限元分析.pdf

第期(总第 期)年 月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o D e c 文章编号:()大跨度轻量化桥式起重机主梁有限元分析李秋来,穆广金(杭州福斯达深冷装备股份有限公司,浙江杭州 ;河南卫华重型机械股份有限公司,河南郑州 )摘要:传统大跨度桥式起重机由于自重大、受力复杂,在设计时需要进行更多的计算和校核.以某Q D型 t m桥机主梁为例,采用轻量化设计,将有限元法与许用应力法相结合,分别对主梁进行强度、刚度及稳定性分析与计算.计算结果均满足G B/T 和I S O 的要求.为大跨度轻量化桥机的主梁设计与校核提供了一种简便可靠的计算方法,避免了单一设计方法的局限性,减轻了主梁自重,提高了设计效率.关键词:主梁;有限元分析;桥式起重机中图分类号:TH T P 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:李秋来(),男,河北唐山人,工程师,硕士,主要从事机械结构可靠性与压力容器结构技术研究.引言桥式起重机(以下简称桥机)作为重要的搬运设备,在制造及运输领域有着广泛的应用,常规桥式起重机的主结构已经形成了一套标准的设计流程,但是大跨度轻量化桥式起重机的应用较少,需要根据客户要求进行非标设计.跨度大,起重机刚度不容易控制,轻量化又容易引起强度不足、稳定性差.主梁作为起重机的主要承载构件,设计时需要对其强度、刚度及稳定性进行准确分析.本文以某起重量 t、跨度 m的Q D型双梁桥机为例,利用AN S Y S建立主梁的壳单元模型,根据G B/T (以下简称规范)中所规定的载荷组合进行静力学分析,在满足强度及静刚度的要求下优化主梁截面,使结构轻量化;然后进行模态分析及屈曲分析,计算主梁动刚度及局部稳定性,以验证设计方案的合理性.主梁静力学分析该型桥机为偏轨箱型梁,小车运行轨道为方钢,主梁端部与端梁采用螺栓连接.采用AN S Y SA P D L中的S HE L L 单元建立主梁有限元模型,如图所示.S HE L L 单元为壳单元,拥有个节点,每个节点有个位移自由度及个转动自由度.当采用非协调的完全积分时,具有很高的精度及适用性,适用于薄板及中等厚板结构的仿真分析.桥机主结构材料采用Q B,材料弹性模量E G P a,泊松比,屈服强度s MP a,安全系数n,许用应力 MP a.施加载荷及约束桥机主梁受力近似于简支梁,同时承受垂直载荷及水平载荷.在主梁端部创建支点,将支点与主梁端部刚性连接,约束支点的个位移自由度以及绕X轴和Y轴的两个自由度.图双梁桥机主梁有限元模型主梁跨度为 m,当小车位于跨中位置时,满载起升工况为最不利工况.根据载荷组合,采用许用应力法计算小车轮压载荷.将小车轮压施加在车轮与轨道接触的节点上,如图所示.其中小车垂直方向轮压Pv k N;水平方向轮压Ph k N.图主梁载荷施加 静力学分析结果满载起升工况下主梁静力学分析结果如图图所示.由图可知:主梁最大应力为 MP a,出现在主腹板下侧的下盖板位置,且小于许用应力,该主梁强度满足要求.图满载起升工况下主梁等效应力云图由图可知:主梁垂直方向静刚度为 mm,小于跨度的/.由图可知:主梁水平方向静刚度为 mm,小于跨度的/,均满足规范要求,验证了截面优化后的合理性.图满载起升工况下主梁垂直方向变形云图图满载起升工况下主梁水平方向变形云图主梁动刚度分析起重机的动刚度不足会影响操作人员的舒适性,影响起重机操作控制,且大跨度起重机较容易出现水平刚度不足,本文所分析对象截面宽高比为/,虽然静刚度满足规范要求,但动刚度需要进一步分析.动刚度理论计算根据I S O :(以下简称标准),主梁垂直动刚度计算公式为:fv EIyS(mcmI mg)()其中:mc为小车自重,mc k g;mI为起重量(包含吊钩),mI k g;mg为主梁自重,mg k g;Iy为主梁垂直方向的惯性矩,Iy m;S为跨度,S m.将数值代入式(),计算得fv H z.水平动刚度计算公式为:fh EIzS(mc mg)()其中:Iz为主梁水平方向惯性矩,Iz m.将数值代入式(),计算得fh H z.标准中规定桥机主梁垂直动刚度应大于H z,水平动刚度应大于 H z,可见该桥机主梁动刚度满足要求.模态分析模态分析用于确定结构的固有频率,分块兰索斯法采用稀疏矩阵求解,适用于大规模对称特征值的求解,本文采用此方法.采用S o l i d 单元创建主梁的实体单元模型,在梁两端施加远点约束,模拟简支梁,可提取主梁的各阶模态,主梁前两阶模态如图所示.图主梁前两阶模态由图可知:阶模态为水平方向动刚度,频率为 H z;阶模态为垂直方向动刚度,频率为 H z,均满足规范要求.主梁屈曲分析主梁内部采用横隔板加纵向筋的布置来提高局部稳定性.在小车轮压作用位置主梁腹板会承受较大的局部压应力,因此在腹板上增加三道纵向筋,腹板厚度为mm.主梁腹板局部区格受力简图如图所示,两侧受到切应力和压应力、,且压应力沿板宽方向呈线性分布(),上部受到局部压应力m.由有限元分析可以得到主梁腹板局部区格应力云图,如图所示.上边缘压应力 MP a,下边缘压应力 MP a,两侧切应力 MP a,上部局部压应力m MP a.图主梁腹板局部区格受力简图主梁腹板的临界压应力计算公式为:iKE()临界切应力计算公式为:iKE()临界局部压应力计算公式为:i mKmE()年第期李秋来,等:大跨度轻量化桥式起重机主梁有限元分析其中:为板边弹性嵌固系数,取 ;K、K、Km分别为压应力、切应力及局部压应力作用下的屈曲系数,取K、K、Km;E为主腹板欧拉应力,E MP a.图主梁腹板局部区格应力云图将数值代入式()式(),计算得i M P a,i MP a,i m MP a.主腹板的临界复合应力计算公式为:i,c rmm(i)(i)mi m(i)()其中:为弯曲应力比,.将数值代入式(),计算得i,c r MP a.主腹板的屈曲安全系数计算公式为:nqss i,c rmm()将数值代入式(),计算得nq.可见此安全系数大于静强度计算中所采用的安全系数,因此主腹板厚度为mm时,其局部稳定性满足要求.结论通过对该大跨度轻量化主梁有限元分析,结果表明:()该轻量化主梁截面的设计合理,各项计算指标满足规范和标准要求.()采用有限元法与许用应力法相结合的方式来优化和校验主梁结构,简便可靠,提高了设计效率,此设计方法便于普及.()在局部稳定性方面,可继续优化加强筋的布置,在满足强度和刚度的前提下可进一步减轻自重.参考文献:北京起重运输机械研究所 G B/T 起重机设计规范S北京:中国标准出版社,:王新敏,李义强,许宏伟AN S Y S结构分析单元与应用M北京:人民交通出版社,刘永刚,杨宏磊,邵松涛大跨度桥式起重机桥架常见问题及解决方法J起重运输机械,():徐格宁机械装备金属结构设计M北京:机械工业出版社,F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so fM a i nB e a mo fL o n gS p a nL i g h t w e i g h tB r i d g eC r a n eL IQ i u l a i,MUG u a n g j i n(H a n g z h o uF o r t u n eG a sC r y o g e n i cG r o u pC o,L t d,H a n g z h o u ,C h i n a;H e n a n W e i h u a H e a v y M a c h i n e r yC o,L t d,Z h e n g z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t r a d i t i o n a l l o n gs p a nb r i d g e c r a n en e e d sm o r e c a l c u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n i nd e s i g nd u e t o i t sh e a v yw e i g h t a n dc o m p l e xs t r e s s T a k i n gt h em a i nb e a mo faQ Dt y p e t mb r i d g ec r a n ea sa ne x a m p l e,u s i n gl i g h t w e i g h td e s i g n,c o m b i n i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dw i t ht h e a l l o w a b l e s t r e s sm e t h o d,t h e s t r e n g t h,s t i f f n e s s a n ds t a b i l i t yo f t h em a i nb e a ma r e r e s p e c t i v e l ya n a l y z e da n dc a l c u l a t e d T h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sm e e t t h e r e q u i r e m e n t so fG B/T a n dI S O :I tp r o v i d e sas i m p l ea n dr e l i a b l ec a l c u l a t i o nm e t h o df o r t h ed e s i g na n dv e r i f i c a t i o no f t h em a i nb e a mo f t h e l o n g s p a nl i g h t w e i g h tb r i d g ec r a n e,a v o i d st h e l i m i t a t i o n so f s i n g l ed e s i g nm e t h o d,r e d u c e s t h ed e a dw e i g h to f t h em a i nb e a ma n d i m p r o v e s t h ed e s i g ne f f i c i e n c y K e y w o r d s:m a i nb e a m;f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s;b r i d g ec r a n e(上接第 页)刘宏杰,王伟力,苗润,等环形双锥罩聚能装药结构优化设计J高压物理学报,():陈闯,王晓鸣,李文彬,等双锥罩射流侵彻钢靶侵深计算模型J兵工学报,():刘润滋,王凤英,刘天生,等不同上下罩高对复合药型罩射流形成影响 的数 值 模拟 J兵器 材料 科 学与 工程,():王子明,闫建文,雷方超,等辅助型双锥药型罩结构的数值仿真优化J爆破,():王珞冰,焦志刚,初善勇基于正交设计试验的双锥药型罩结构优化J科学技术 与 工程,():N u m e r i c a l S i m u l a t i o no f I n f l u e n c eo fC o n eA n g l eR a t i oo nJ e tF o r m i n go fD o u b l e C o n eS h a p e dC h a r g eH A OG a n g,L IY a n f e i,L I UY u t a o(t h eS e c o n d M i l i t a r yR e p r e s e n t a t i v eO f f i c eo ft h eA r m yA r m a m e n tD e p a r t m e n ti nS h e n y a n g,S h e n y a n g ,C h i n a;L i a o s h e nI n d u s t r i e sG r o u pC o,L t d,S h e n y a n g ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d yt h ee f f e c to f t h e r a t i oo f t h eu p p e r a n d l o w e r c o n ea n g l e so f t h ed o u b l e c o n e s h a p e dc h a r g eo nt h eq u a l i t yo f j e tm o l d i n g,t h em a x i m u mh e a dv e l o c i t y,k i n e t i ce n e r g y,j e t l e n g t h,a n de f f e c t i v e j e t l e n g t ho f t h e j e t f o r m e db yt h ed o u b l e c o n el i n e rw i t hd i f f e r e n t c o n ea n g l er a t i o sw e r e s t u d i e db yn u m e r i c a l s i m u l a t i o n T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e l a r g e r t h e c o n e a n g l e r a t i o,t h el o w e r t h em a x i m u mh e a dv e l o c i t yo f t h e j e t;t h ek i n e t i c e n e r g yo f t h e j e t g e n e r a t e sw h e nt h eu p p e r c o n ea n g l e i s s m a l l d e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ec o n ea n g l er a t i o;w h e nt h eu p p e rc o n ea n g l e i sl a r g e,t h ek i n e t i ce n e r g yo f t h ej e tg e n e r a t e di n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f t h ec o n ea n g l er a t i o;t h e j e t l e n g t ha n de f f e c t i v e j e t l e n g t hd e c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s eo f t h ec o n ea n g l er a t i o K e y w o r d s:d o u b l e c o n es h a p e dc h a r g e;j e t f o r m i n g;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;c o n ea n g l er a t i o机 械 工 程 与 自 动 化 年第期