桥式起重机主梁的力学性能分析

时间：2022-10-23 01:59:40

关键字：桥式起重机主梁力学性能分析三维建模

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[导读]摘要:桥式起重机是起重机中使用范围最广、数量最多的机械之一,尤其是在制造业车间中使用广泛。在传统的设计过程中,为保证桥式起重机结构安全可靠,往往会选用较大的安全系数,使用过多的材料。针对桥式起重机重量大、材料浪费的问题,首先使用三维建模软件对单梁桥式起重机主梁进行三维建模,然后进行了主梁的力学性能分析,通过有限元计算的结果可知,在典型条件下,主梁所受的最大等效应力和最大等效位移均未超过许用值,且有着较大的富余。

引言

随着科技的发展和生产力的逐步提高,人们对于起重机的要求也不再仅仅是能搬运,而是在工作效率、使用维护成本等各方面都有更为具体的要求。基于以上原因,起重机的生产商不仅需要能够生产制造,还要能够快速设计,并综合协调成本、速度及安全等各方面的因素。起重机是一种能在一定范围内垂直起升和水平移动物品的机械,动作间歇性和作业循环性是起重机工作的特点。起重机在国民经济各部门都有相当广泛的应用,在现代化生产中占有重要地位。根据起重机自身结构的不同,常见的起重机可以分为轮式起重机、履带式起重机、塔式起重机、桥式起重机和门式起重机等。其中,桥式起重机是起重设备中使用范围最广、生产数量最多的起重机之一,这也意味着对桥式起重机的性能、参数、稳定性要求更高。因此,桥式起重机的设计需要有相应的发展与创新。与传统力学分析方法相比,有限元分析方法可以使得计算结果更精确,并且可对复杂结构进行整体分析。

1桥式起重机设计参数

起重机的技术参数是反映起重机作业能力的重要指标,是设计起重机最基本的要求和参考依据。起重机的技术参数主要包括工作级别、额定起升重量、起升高度、起升速度、主梁跨度、小车轨距、小车运行速度等,本文所讨论的起重机设计参数如表1所示。

桥式起重机桥架主要由主梁、端梁、栏杆、走台、轨道和操作室等构件组成。起重机主梁的主体是由上下翼缘板和左右腹板焊接而成的箱形梁,主梁内部均匀设置了加劲板,加劲板在起重机工作时可以承受部分负载来维持箱体形状,以满足主梁的稳定性要求。

由于桥式起重机结构巨大且复杂,在实际工作过程中承受的载荷较大,所以若考虑所有的影响条件,将会使得该起重机有限元分析比较困难。因此,主梁模型简化正确与否、合理与否直接关系到有限元计算结果。

起重机主梁的结构图、截面图及各尺寸参数分别如图1、图2及表2所示。在起重机工作时,主梁是最重要的受力部件之一,此外,起重机主梁体积大、重量大、优化空间大,因此本文以起重机主梁为研究对象,进行静力学分析。

2桥式起重机主梁静力学分析

2.1有限元模型及网格划分

由于主梁结构非常复杂,故需要从以下三个方面来对其进行简化:

(1)主梁上的一些诸如螺栓、螺母、螺钉、挂钩等起装饰、连接作用或非承载构件等忽略掉,它们对安全性的影响相对较小,简化这些构件能使模型更加清晰直观,同时方便网格划分和受力分析。

(2)忽略螺栓孔、螺钉孔以及铆接孔等,它们并不能对主梁受力情况产生影响,反而会影响到网格划分,使有限元网格变得更为复杂,甚至还会影响软件计算分析,使分析结果出现误差。

(3)忽略掉内部加强筋板。虽然主梁的筋板能够起到承受载荷、保持主梁箱体的形状不变的作用,但在本文对主梁的优化研究中,其对于主梁影响比较有限,故在建立三维模型时可以将其忽略。

简化后的模型如图3所示。

图3简化后的模型

网格划分是建立有限元模型的关键环节,划分网格的方式将直接影响计算速度和结果精度。网格划分成功后,得到有限元节点Nodes总数92314个,单元Elements总数14842个,网格划分结果如图4所示。

2.2材料属性

桥式起重机主梁为钢材,材质为Q235,含碳量为0.14%~0.22%,属低碳钢。Q235的屈服强度为235MPa,弹性模量E=2×102GPa,泊松比μ=0.3,密度p=7.85×103kg/m3。

2.3约束条件施加

在桥式起重机的设计过程中,起重机主梁是典型的关键承力件,当起重机实际工作时,主梁的两端是固定在端梁上的,然后通过小车及吊具将物体提升至需要的位置,所以在施加约束时,选择对主梁两端施加全约束,即主梁两端面固定不动:将主梁自重、移动载荷以集中力形式施加在主梁的跨中处,为方便施加载荷,在主梁跨中处添加一个印记面。在完成载荷与约束的施加后,分别计算主梁的等效应力和等效位移。

对起重机主梁施加的载荷与约束如图5所示,对主梁两端施加固定约束(Fixed Support),对主梁施加自重载荷和起升载荷(self-weightloadanduploadload)。

2.4结果分析

通过对起重机主梁进行静力学分析求解运算可得,在极限工况下,起重机主梁的最大应力为144.19MPa,位于下滑杆孔两侧的表面上,如图6所示,梁跨中处最大等效位移为2.9674mm,如图7所示。由图6和图7分析可知,基于传统设计的起重机主梁强度与刚度均足够,能够满足桥式起重机的实际工作需求,但起重机主梁有很大部分所受应力及变形都比较小,材料冗余量较大,存在很大的优化空间。