基于ANSYS的WD50A...重机机架金属结构有限元分析_杨威.pdf

2023.01建设机械技术与管理 95试验研究1 概 述WD50A 桥面起重机（以下简称“起重机”）用于澳门C390B-轻轨石排湾线主体建造工程 A 型梁吊装。如图 1所示，起重机主要由机架、天车、吊具、挂篮、走行系统、电气液压系统、后锚等组成。起重机额定起重量为 50t，天车工作幅度范围为 1150 2250mm，上下纵梁中心距3470mm，前支点与后锚固中心距为 2400mm。2 WD50A 桥面起重机机架金属结构有限元分析2.1 有限元分析模型如图2所示，起重机机架金属结构主要由立柱、下纵梁、上纵梁、下部斜撑、前斜撑、上部斜撑组成。各部分主要采用标准 H 型钢制造，材质为 Q355B。其余各部分采用销轴连接，直径 100mm，材质为 40Cr。采用 ANSYS 大型通用有限元软件建立模型，根据起重机机架金属结构的特点，对 H 型钢与板材采用 SHELL181离散，并根据不同的板厚赋予相应的截面形状。对销轴连接处采用 MPC184 铰接单元离散。对法兰连接点处螺栓采用BEAM188 离散。并根据螺栓的直径赋予对应的截面形状。对上下法兰处的接触分别采用 CONTAT174 单元与 TARGE170单元离散。最终离散得到的有限元模型如图 3 所示。基于 ANSYS 的 WD50A 桥面起重机机架金属结构有限元分析Finite Element Analysis of Metal Structures for WD50A Bridge Deck Crane Frame Based on ANSYS杨威 刘俊（武汉武桥交通装备技术有限公司，湖北 武汉 430000）摘要：本文以澳门 C390B 轻轨石排湾线主体建造工程 A 型梁 WD50A 桥面起重机机架金属结构为研究对象，根据其实际承载情况，基于 ANSYS 大型通用有限元软件，研究了起重机机架金属结构在天车在不同工作幅度范围的受力情况，并根据起重机机架金属结构受力的典型工况，研究了起重机主要杆件受压屈曲稳定性，通过分析对起重机机架金属结构的安全性能做出评判。关键词：桥面起重机；机架金属结构；有限元中图分类号：TH215 文献标识码:A图1 起重机桥面起重机总图图2 起重机机架金属结构示意图3 起重机机金属结构有限元模型DOI:10.13824/ki.cmtm.2023.01.02596 建设机械技术与管理 2023.01 试验研究2.2 不同工作幅度范围的受力分析起重机机架金属结构的自重、受到的风载荷以及坡道载荷采用三向重力加速度模拟，其中风载荷为项目工作地历时最大风压，坡道载荷根据实际工作坡道确定。为了模拟起重机金属结构在不同吊重幅度下的动态性能，采用移动载荷的施加方式对吊重载荷进行模拟。卷扬机与立柱上部转向滑轮所受到的单绳拉力采用集中力直接施加。起重机金属结构的前支点位于下纵梁两侧立柱下方，采用全自由度约束。后锚点位于桁架下部后方，对锚拉板上平面采用法向约束。最终得到经过分析得到起重机机架金属结构在不同工作幅度的最大应力曲线如图 4所示，最大变形如图 5所示。由图 4 可知，机架金属结构在最小工作幅度时的应力最大，约为 190MPa。随着工作幅度变大，机架金属结构的应力先变小后增大，当接近最大工作幅度时，又略微变小。由此可以得出，随着工作幅度的变大，最大应力点的位置从上部纵梁与立柱结合处附近变为上部纵梁与前撑杆处结合处。由图 5 可知，机架金属结构在最大工作幅度时的变形最大，约为 13mm。在最小工作幅度范围时，结构变形约为6mm，随着幅度变大，结构变形略为变小，随后结构变形极具变大。由此可以得出，最大变形点位置由立柱与前撑杆中部附近变为上纵梁悬臂点。造成上述现象的原因在于当起重机工作在较小幅度时，吊重载荷主要由立柱承担，随着幅度变大，前撑杆承担的载荷增大。为了验证前述结论，分别绘制处机架金属结构在最小与最大工作幅度时的应力云图与变形云图，如图 6 图 9 所示。由图 6 图 9 可知，机架金属结构最大综合应力为190.061MPa,最大变形为 12.6664mm。机架材质 Q355B的许用应力为 240MPa，满足GB/T 3811-2008 起重机设计规范的要求。2.3 受压屈曲分析为了保证起重机机架金属结构在工作时的安全，分别研究机架金属结构在最小和最大工作幅度时的受压屈曲性能。具体方法为将结构的自重、风载荷与坡道载荷作为恒载，其余载荷作为活载直接施加，求解对应的屈曲载荷系数。最终得到机架金属结构在最小与最大工作幅度时，前六阶受压屈曲载荷振型如图 10 与图 11 所示。由 图 10 可 知，机 架 金 属 结 构 在 最 小工 作 幅 度 时 前 六 阶 屈 曲 载 荷 安 全 系 数 为21.4214 25.571。屈曲振型均为立柱纵向弯曲方向。这是因为在最小幅度工作时，机架金属结构的主要载荷均由立柱承担。由 图 11 可 知，机 架 金 属 结 构 在 最 大工 作 幅 度 时 前 六 阶 屈 曲 载 荷 安 全 系 数 为19.853 27.5328。第 1 阶屈曲振型方向为上纵梁侧向弯曲，第 2 阶屈曲振型方向前撑杆向内侧弯曲。第 3 阶与第 4 阶屈曲振型方向为立柱纵向弯曲，第 5 阶与第 6 阶屈曲振型方向为前撑杆侧向弯曲。这表面在最达幅度工作时，机架金属结构的主要载荷均由前撑杆承担，当载荷足够大时，立柱也会发生屈曲。图4 机架金属结构不同工作幅度的应力曲线图5 机架金属结构不同工作幅度的变形曲线图9 机架金属结构最大工作幅度的变形云图图 7 机架金属结构最小工作幅度的变形云图图6 机架金属结构最小工作幅度的应力云图图8 机架金属结构最大工作幅度的应力云图2023.01建设机械技术与管理 97试验研究3 结 语本文采用有限元对 WD50A 桥面起重机机架金属结构在不同工作幅度范围的受力情况进行分析。有限元分析验证了该结构设计的合理性。该结构最大 Von Mises 应力、变形以及受压稳定性符合起重机设计规范要求。参考文献1 张质文,虞和谦,王金诺,等.起重机设计手册 M.北京:中国铁道出版社,1998.2 GB/T 3811-2008 起重机设计规范 S.3 黄涛,王涛,杨先勇，等.桥式起重机桥架的三维有限元分析 J.武汉科技大学学报,2009,32(6):623-625.4 孙明尧,过玉卿.桁架式装卸桥动态特性分析 J.起重运输机械,2000(5):209-211.收稿日期：2022-09-30作者简介：杨威，学士，工程师，主要从事计算机有限元仿真研究。（d）第 4 阶屈曲振型图 （e）第 5 阶屈曲振型图 （f）第 6 阶屈曲振型图图11 最大工作幅度屈曲振型图 （a）第 1 阶屈曲振型图 （b）第 2 阶屈曲振型图 （c）第 3 阶屈曲振型图 （d）第 4 阶屈曲振型图 （e）第 5 阶屈曲振型图 （f）第 6 阶屈曲振型图图10 最小工作幅度屈曲振型图 （a）第 1 阶屈曲振型图 （b）第 2 阶屈曲振型图 （c）第 3 阶屈曲振型图