基于ansys的桥式起重机桥架结构的有限元分析

基于ansys的桥式起重机桥架结构的有限元分析

1桥式起重机结构有限元分析桥梁重量机广泛应用于经济和贸易的各个领域。桥式起重机的结构质量在起重机总质量中占有较大比例，减轻其结构质量、降低制造成本一直是设计者追求的目标之一。桥式起重机桥架是最主要的承载结构部件，其质量在结构总质量中所占比例最高，且对其他结构影响较大。研究桥式起重机的桥架结构、优化其截面型式，减小质量，具有十分重要的意义。为使桥式起重机各部分具有与额定载荷和工作条件相适应的强度，应在保证刚性和耐久性的基础上，减轻整机的质量。传统的工程计算方法是在给定参数的条件下设计桥式起重机的结构，在此过程中用到的多数计算公式是以简化结构的力学模型为前提，并且是在某种假定条件下成立，计算出来的误差较大，很难对局部的每个细节杆件求出具体的应力数值。为了解决这种计算上的不足，采用三维有限元分析软件ANSYS对桥式起重机桥架结构进行了分析。用该软件建立桥架结构的实体模型，仿真桥式起重机的受载荷状态，得出在载荷组合作用下的桥架应力分布、过载变形程度和主要部位的应力值，并与传统工程设计方法的结果进行比较，若变形的程度和应力不符合结构的许用要求，进行相应修正，使结构设计更合理，以提高设备的安全性和可靠性。2桥架结构形式为双主梁结构该桥式起重机桥架结构为三角形截面的桁架结构，桥架支撑在两个支腿上，支腿采用圆钢管形式，其中一个为刚性支腿，另一个为挠性支腿。桥架采用双主梁结构形式，小车运行机构悬挂在主梁上，司机室安装在刚性支腿上。桥式起重机桥架的结构如图1所示，部分相关参数如下：(1)起重量：Q=10t;(2)起升高度：H=12m;(3)跨度：L=30m;(4)有效悬臂：L=10m;(5)工作速度：起升：V3间接有限元建模在建立有限元模型时，首先要考虑的是如何使有限元模型与机械结构系统的几何外型达成一致。由于起重机系统结构复杂，结点、单元数目众多，因此应采用间接法进行有限元建模。该方法通过点、线、面、体积，先建立机械结构系统的几何外型，再进行实模型网格（Meshin幼分割，以完成有限元模型的建立）。包括明确分析对象、考虑建立物理模型的全部还是部分模型、模型中应该使用什么样的单元、确定划分网格的密等问题。在一般情况下，当决定上述问题时，必须权衡计算成本和计算精度。模型规划的好坏在很大程度上决定了有限元分析的成败。本文建模方法用的是自顶向下的方法，网格划分采用自由划分。3.1材料参数的定义桥式起重机主梁的材质为角钢、槽钢和钢板等，主要性能参数分别为：弹性模量E=2.1×103.2载荷组合工况作用在桥式起重机主梁结构上的外载荷可以分为固定载荷和移动载荷，其中固定载荷包括由主梁、轨道、走台和栏杆等的质量所产生的均布载荷；移动载荷由小车自重、起升机构及起吊重物引起的以轮压形式作用在主梁结构上的载荷。载荷的确立考虑了不同载荷组合下的动载系数和冲击系数，并确定起升冲击系数K=1.1，起升载荷动载系数φ=1.2。按如下3种载荷组合工况对桥式起重机主梁结构进行加载。工况1：小车位于跨中C，满载下降制动的同时小车启动（或制动），以确定跨中危险截面的最大弯曲应力和最大挠度。工况2：小车位于跨端A，满载下降制动的同时大车启动（或制动），以确定主梁端部支撑截面上的最大剪应力。工况3：小车位于跨端E，满载下降制动的同时大车启动（或制动），以确定主梁端部支撑截面上的最大剪应力。各载荷的计算结果如表1所示。3.3载荷和步选择有限元完成建模以后，进行加载约束、定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项，然后开始有限元求解。ANSYS后处理可生成结构外形及有限元网格图；变形后结构外形及有限元网格图；结构应力和位移等参数的等值线图及彩色云图。4桥式起重机主梁结构位移和各点竖直方向受的力利用ANSYS对主梁结构的3种载荷组合工况计算结果进行分析、比较。即当小车位于桥架跨端A点时，桥架各点变形的位移量、各点竖直方向所受的力；小车位于桥架跨中C点时，桥架各点变形的位移量、各点竖直方向受的力；小车在桥架右端B点时桥架各点变形的位移及各点竖直方向的受力。限于篇幅，这里只列出载荷组合工况1情况下桥式起重机主梁结构位移和应力的显示结果，如图2、图3所示。载荷组合工况2和3主要考虑的是当满载小车位于悬臂梁A端和E端的极限位置时，挠性支腿和刚性支腿支撑截面剪应力。利用ANSYS后处理的列表显示及排序功能，可得到最大剪应力。以上3种载荷组合工况是桥式起重机在工作过程中桥架结构所受到的最恶劣的承载状况，对其进行强度和刚度分析如下。4.1各杆强度试验由载荷组合工况1、工况2和工况3的分析结果，上弦杆组合截面最大应力为56.1MPa，下弦杆截面最大应力为46.04MPa，许用应力为170MPa，各杆的强度均满足要求。4.2刚性分析由载荷组合工况1的分析结果，竖直方向最大位移为25.4mm，桥式起重机垂直挠度许用值为30mm，静刚度满足要求。5有限元分析结果分析和评价的建议在建立桥式起重机桥架结构的三维有限元模型的基础上，充分考虑了能代表起重机桥架结构实际极限承载状态的多种载荷组合，通过对桥式起重机桥架结构的三维有限元分析，可以得到以下结论。(1)从桥式起重机桥架的有限元分析的结果可得出，该类型的桥架结构强度和刚度均满足工作要求。(2)根据有限元分析结果的应力和变形分布情况,可以得出最大应力和变形出现的位置，与实际情况及已有的试验结果相符合，作为桥架结构的薄弱部位在对桥架结构进行承载能力综合评估时要作为检测的重点。(3)与传统力学计算方法相比，有限元方法所得到的结果略有偏大（误差在5%左右），考虑到有限元模型建立时所作的一些必要的简化和传