門座起重機鋼結構有限元仿真計算

蘇 芳，孫艷秀，聶文杰，張俊娜

（太重（天津）濱海重型機械有限公司，天津 300452）

［關鍵字］門座起重機；鋼結構；有限元；仿真計算

門座起重機屬于臂架型起重機，其鋼結構是機器的主要部分，是整機的骨架，承擔著機械設備的各種載荷和自重。因此，鋼結構必須滿足一定的強度、剛度、穩定性要求，才能保證機器正常使用。本文使用有限元軟件ANSYS對D4085門座起重機鋼結構進行了仿真分析，并計算校核了各工況下的強度。

1 有限元模型的建立

1.1 結構件建模

D4085門座起重機鋼結構由臂架系統、轉臺、轉柱、人字架及門架組成。臂架系統在建立有限元模型時分為3部分：桁架結構單臂架、柔性拉索鋼絲繩和臂架上滑輪組。桁架結構單臂架采用BEAM188單元（TIMOSHENKO梁，3D有限應變，計入剪切變形影響，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模；柔性拉索鋼絲繩采用LINK180單元（3D有限應變桿，節點自由度UX/UY/UZ）建模；臂架上的滑輪組采用MASS21單元（點單元，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模。需要注意的是，本計算中使用的LINK180單元和MASS21單元的功能是模擬鋼絲繩和滑輪組對起重機鋼結構施加的載荷，其自身強度結果不在有限元計算中體現，所以臂架系統鋼結構有限元計算只列出桁架結構單臂架（以下簡稱臂架）結果。轉臺、轉柱、人字架及門架等為較規則的箱形梁或圓管結構，采用BEAM188單元建模。

1.2 整機鋼結構建模

各主要結構件模型完成以后，需要組裝成門座起重機的整機鋼結構。首先定義總體坐標系，然后根據各結構件的相對位置關系分別定義局部坐標系，把各結構件模型放在各局部坐標系下生成整體模型。

根據門座起重機的結構形式，總體坐標和局部坐標均使用直角坐標系。設整體坐標系原點的水平位置位于門架軌距、基距中心，高度零點位于大車軌道平面。門架的建?？芍苯釉诳傮w坐標系下進行，轉臺、轉柱、人字架建模分別在局部坐標系下進行。組裝到總體坐標系時只需把工作平面移到相應的關鍵點，即在各結構件建模前加以下命令（X1、Y1、Z1為局部坐標系原點在總體坐標系下的坐標）：

D4085門座起重機的變幅幅度在25～80m之間。幅度25～45m時，最大起重量40t；幅度45～80m時，起重量5t。需要建立3個幅度的臂架模型分別加載計算，幅度25m、45m和80m對應的臂架角度分別為76°、61.5°和26°。臂架長度方向與局部直角坐標系的坐標軸不平行，建模時對應的局部坐標系除了平移外還需要旋轉角度。定義臂架長度方向為X軸，則局部坐標系需旋轉X軸使其同臂架長度方向保持一致。幅度25m時臂架建模前加以下命令：

*AFUN，DEG！定義單位為角度

WPROTA，76！X軸旋轉76°

CSYS，4

同理可得到另外2個角度的臂架模型。依次運行所有結構件命令流，得出各幅度下整機有限元模型。

2 載荷及工況

2.1 載荷

結構自重載荷SG：臂架、轉臺（除配重外）、轉柱、人字架、門架及其附屬結構自重為均布載荷，輸入密度并施加重力加速度由軟件自動計算；轉臺配重可視為集中載荷，直接加載于相應節點。

(3)Stable rotating detonation combustion could also be initialized and sustained in a combustor with a nozzle,which signals a bright future for the application of rotating detonation to satellite orbit-control thrusters.

移動載荷SL：包含吊具系統重量4t及額定起重量。

大車加減速引起的水平載荷SH1：可以在有限元模型上施加相應方向的線加速度來實現。大車加速度根據技術規格書取0.05m/s2。

回轉機構制動引起的水平載荷SH2：可以在有限元模型上施加相應的角加速度來實現?；剞D加速度根據技術規格書取0.0007rad/s2。

風載荷SW：根據每個起重機各結構件的迎風面積及風力系數來計算風載，然后均勻加在每個構件的相應節點上。

起升沖擊系數取1.1。

起升動載系數φ2根據計算，代入各參數可得φ2=1.3。

2.2 工況

（1）工況1——無風工作；

（3）工況3——極限風荷載情況。

這3類工況需在25m、45m、80m 3個幅度下分別計算。

3 求解與結果分析

3.1 幅度25m

工況1——無風工作計算結果：整機最大應力為204MPa，出現在臂架中段，靠近臂架頭部的桁架弦桿上（見圖1和圖2）。

圖1 幅度25m-工況1整體應力云圖

圖2 幅度25m-工況1最大應力附近應力云圖

工況2——帶風工作計算結果：整機最大應力為211MPa，出現在與臂架頭部箱形鋼結構連接的臂架桁架弦桿上（見圖3和圖4）。

圖3 幅度25m-工況2整體應力云圖

圖4 幅度25m-工況2最大應力附近應力云圖

工況3——極限風荷載計算結果：整機最大應力為112MPa，出現在臂架桁架變截面處的弦桿上（見圖5和圖6）。

圖5 幅度25m-工況3整體應力云圖

圖6 幅度25m-工況3最大應力附近應力云圖

3.2 幅度45m

工況1——無風工作計算結果：整機最大應力為220MPa，出現在臂架中段弦桿上（見圖7和圖8）。

圖7 幅度45m-工況1整體應力云圖

圖8 幅度45m-工況1最大應力附近應力云圖

工況2——帶風工作計算結果：整機最大應力為233MPa，出現在臂架中段弦桿上（見圖9和圖10）。

圖9 幅度45m-工況2整體應力云圖

工況3——極限風荷載計算結果：整機最大應力為129MPa，出現在臂架桁架變截面處的弦桿上（見圖11和圖12）。

圖10 幅度45m-工況2最大應力附近應力云圖

圖11 幅度45m-工況3整體應力云圖

圖12 幅度45m-工況3最大應力附近應力云圖

3.3 幅度80m

工況1——無風工作計算結果：整機最大應力為224MPa，出現在轉盤主梁上蓋板（見圖13和圖14）。

工況2——帶風工作計算結果：整機最大應力為235MPa，出現在轉盤主梁上蓋板（見圖15和圖16）。

圖13 幅度80m-工況1整體應力云圖

圖14 幅度80m-工況1最大應力附近應力云圖

圖15 幅度80m-工況2整體應力云圖

工況3——極限風荷載計算結果：整機最大應力為186MPa，出現在臂架中段弦桿上（見圖17和圖18）。

此門座起重機主結構使用的材料為Q345。工況1許用應力232MPa；工況2許用應力256MPa；工況3許用應力282MPa。由以上計算結果可知，鋼結構滿足強度要求。

圖16 幅度80m-工況2最大應力附近應力云圖

圖17 幅度80m-工況3整體應力云圖

圖18 幅度80m-工況3最大應力附近應力云圖

3.4 起重機各結構件最大應力

除各工況下最大應力外，鋼結構計算還應關注各構件最大應力及應力分布情況。限于篇幅，只列出各構件最大應力，見表1。

表1 不同幅度工況下各結構件最大應力 單位：MPa

從計算結果可知，起重機在工作幅度較?。?5～45m）時，臂架應力較高；在工作幅度較大（45～80m）時，轉盤應力較高。門架及人字架在各工況下應力均有較大盈余。在保證結構強度及穩定性情況下可適當減少材料用量，優化結構，以降低成本。

4 結束語

對D4085門座起重機整體鋼結構進行有限元建模，加載并求解有限元模型得出各工況下的結構應力，證明鋼結構設計滿足要求。本仿真計算研究也為結構優化設計提供了參考。