基于SolidWorks Simulation的桥式起重机主梁有限元分析

王超;杨明亮;王鹏;李哲人

【摘 要】为了预测桥式起重机的疲劳寿命,利用SolidWorks Simulation对480 t桥式起重机外主梁进行多工况有限元分析,得到主梁各工况下的应力云图,并与现场测试结果进行对比分析.分析结果表明,最大应力出现在外主梁主腹板过渡圆角变截面区域,这些区域易发生疲劳受损.%In order to predict the fatigue life of bridge cranes, the finite element analysis of the external main girder of 480 t bridge crane is carried out by SolidWorks Simulation. The stress cloud image of the main beam is obtained and compared with the field test results. The results show that the maximum stress appears in the transitional cross section of the main web of the external main girder, which is susceptible to fatigue damage. 【期刊名称】《起重运输机械》 【年(卷),期】2017(000)009 【总页数】4页(P66-69)

【关键词】桥式起重机;SolidWorksSimulation;外主梁;有限元分析 【作 者】王超;杨明亮;王鹏;李哲人

【作者单位】太原科技大学 太原 030024;太原科技大学 太原 030024;太原科技大学 太原 030024;太原科技大学 太原 030024 【正文语种】中 文

【中图分类】TH215

铸造起重机广泛应用在大型加工企业，如钢铁、冶金、建材等行业，是使用最为频繁的重型设备之一[1]。主梁作为桥式起重机的主要承载构件，在起升载荷、运行冲击载荷等的反复作用下，主梁易发生疲劳。因此，对桥式起重机主梁疲劳载荷的检测和结构无损伤应着重应力集中部位[2，3]。由于发现外主梁过渡区域易出现母材、焊缝开裂现象。企业为了保证安全生产，对起重机进行了应力测试，以探查外主梁在主小车负载工况下的主腹板不同位置得应力值大小。本文利用有限元分析软SolidWorks Simulation对480 t桥式起重机在各工况下的应力值进行仿真计算，为后续的外主梁疲劳寿命与损伤的评断提供技术参考。

以480 t桥式起重机[4]为研究对象，跨度为21.4 m，主钩额定起重量为480 t，主小车自重为280 t，工作级别为A8，起升高度为28 m，起升速度为9 m/min，外主梁自重为53 t，主腹板厚度为12 mm，副腹板厚度为10 mm，上盖板厚度为16 mm，下盖板厚度为18 mm，所用材料为Q345B。

主梁模型建立的合理与否关系到静应力分析的准确性和计算机计算的繁重与否。因此，在对外主梁进行静应力分析前，在保证分析的误差控制在一定的范围内的同时，需要对主梁结构进行合理的简化以确保分析工作的正常运行。为此，在建模过程中[5]，略去导轨、走台、栏杆、电器设备。主梁结构图如图1所示。 2.1 单元选择

利用三维建模分析软件SolidWorks对480 t桥式起重机进行建模分析，考虑主梁结构在实际工作中会发生弯曲、扭转变形。起重机主梁是典型的箱形结构，截面的尺寸远大于板厚的尺寸，可当做薄壁结构来进行分析。因此，在对起重机主梁有限元建模过程中[6]对主梁中的腹板、隔板和小的加强筋采用板壳单元，轨道选择实体单元类型。 2.2 载荷与约束

2.2.1 载荷施加

1）重力 外主梁自重质量为53 000 kg，走台、栏杆、电器设备等的质量，取补偿系数k＝1.4。均布载荷以1.4倍重力加速度作用在外主梁上。

2）外载荷 外主梁只承受主小车自重情况下，小车空载轮压为185 000 N。满载轮压为538 584 N。

3）水平惯性载荷 大车制动时会产生水平惯性载荷，水平惯性载荷计算公式为 式中：mi为产生惯性力的质量；a为运行加速度；Φ5为考虑结构水平振动的动载系数，一般取1.5。

4）水平均布载荷 外主梁整体产生的惯性载荷大小为25 440 N。

5）水平集中载荷 主小车自重下的惯性载荷大小为11 198.4 N。负载433 t下的惯性载荷大小为17 320 N。 2.2.2 约束添加

对于工程问题的求解，需借助力学原理将问题简化，故将起重机外主梁受力模型简化为简支梁。因此，

对外主梁一端添加X、Y、Z方向上的平移自由度及绕X、Y、Z方向的旋转自由度。对于外主梁的另一端添加X、Z方向上的平移自由度和绕X、Z方向的旋转自由度。 3.1 应力值测点

应力值测点包括外主梁主腹板端头过渡圆角附近区域应力值、外主梁副腹板端头过渡圆角附近区域应力值，主梁跨中最大应力值。测试分布图如图2所示。 3.2 工况类型

工况1：主梁只承受主小车自重280 t，主小车空载运行至跨端极限位置。 工况2：主梁只承受主小车自重280 t，主小车空载运行至主梁跨中位置。 工况3：主小车负载433 t运行至主梁跨端极限位置。 工况4：主小车负载433 t运行至主梁跨中位置。

4.1 有限元应力结果图

确定主小车运行至跨中和跨端2种工况下，将相关载荷施加到对应位置，得到图3所示各工况下的应力云图。图3a对应主小车空载运行至外主梁跨端时对应测点B的应力云图，即外主梁主腹板过渡圆角变截面应力集中区域，其值大小为53.6 MPa。图3b主小车空载运行至外主梁跨端时对应测点O的应力云图，即外主梁跨中最大应力值，其值大小为15.6 MPa。图4a反映主小车空载运行至外主梁跨中时对应测点O的应力云图，即外主梁跨中最大应力值，其值大小为27.3 MPa。图4b反映主小车空载运行至外主梁跨中时对应测点A、E的应力云图，即外主梁主腹板过渡圆角变截面应力集中区域，其值大小为51.6 MPa。

图5 反应主小车满载运行至外主梁跨端时相关应测点的应力云图，图5a反映A点即外主梁主腹板过渡圆角变截面应力集中区域，其值大小为114.7 MPa。图5b反映B点的应力云图，其值大小为122.1 MPa。图5c反映E点的应力云图，其值大小为99.2 MPa。图5d反映O点的应力云图，其值大小为31.2 MPa。图6反映主小车满载运行至外主梁跨中时相关应测点的应力云图，其中图6a反映A点即外主梁主腹板过渡圆角变截面应力集中区域，其值大小为58.1 MPa。图6b反映B的应力云图，其值大小为104.9 MPa。图6c反映O点的应力云图，其值大小为72 MPa。

4.2 有限元计算结果与测试结构对比

480 t桥式起重机外主梁有限元计算结果及测试结果对比见表1。由表1可知，有限元计算的结果整体大于现场测试结果，且误差的范围在10%之内。可见仿真结果与实测数据较为接近，引起误差的主要原因有：

1）在对桥式起重机进行现场应力测试时，会将主小车停至外主梁跨端进行电阻应变仪的读数调零，只考虑了主小车负载情况下的影响，而忽略了主小车自重作用下的影响。

2）在简化模型过程中，为了提高分析计算效率，会对桥架结构进行必要的合并、消除及简化，再加上对桥架结构进行有限元计算过程中无法避免的计算误差。 由表1可知，主小车负载433 t运行至跨中时，最大应力值发生在B点，即外主梁北段主腹板过渡圆角变截面区域，其值大小为104.9 MPa。主小车负载433 t运行至跨端时，最大应力值发生在A、B点，即外主梁南、北段主腹板过渡圆角变截面区域，其值大小分别为114.97 MPa和122.1 MPa。是疲劳损伤研究的重点区域。

【相关文献】

[1] 文豪，秦义校，钱勇．起重机械[M].北京：机械工业出版社，2013．

[2] 王生，许可昌，翟甲昌.断裂力学方法估算起重机箱型梁的疲劳寿命[J].山西机械，1994(2)；33，34.

[3] ZHAO zhang-yan,SUN guo-zheng.Faults distriution of port cranes’ metal structure[J].Journal of Wuhan Transportation University，1999，23(6)：679，680. [4] 庞建萍.首钢京唐480t铸造起重机[J].起重运输机械，2013(4)：23-25.

[5] 杨明亮，徐格宁，常争艳，等.基于有限元法的桥式起重机桥架模态分[J].机械科学与技术，2012(1)：136，137.

[6] 王军，杜壮，王文娜，等.基于ANSYS的桥式起重机主梁三维有限元分析[J].河北工业科技，2010，27（6）.