基于Solidworks的門座起重機門架結構有限元分析

2016-11-07 by:CAE仿真在線來源:互聯網

利用Solidworks軟件建立門座起重機門架結構模型,導入有限元分析軟件ANSYS Workbench中進行各工況分析,充分考慮了代表門座起重機門架結構實際極限承載狀況的多種載荷組合,得到了較為準確的應力及位移分布規律,還發現了應力集中部位所在,對剛度突變部位進行加筋設計,效果良好,為門座起重機門架結構的設計提供參考。

門座起重機典型的門架結構呈板凳狀,由圓筒體、箱形結構的主梁和端梁組成。圓筒體上部的筒體法蘭與回轉支承連接,承受整機旋轉部分的自重和外載荷。門架的端梁連接4套行走機構,在軌道上行走。利用有限元分析方法建立門架的有限元模型,按實際載荷分布進行加載、求解,能夠獲得實際的承載狀況。對用經典ANSYS分析門架結構的方法、加載方式等進行了研究,但建模復雜且作了一定的簡化。隨著大型3D軟件的普及,現代起重機多采用3D設計,將3D模型直接導入到有限元軟件中進行結構分析是一種趨勢。1 計算模型根據門座起重機的受載特點,運用SolidWorks軟件建立實際模型,導入大型有限元分析軟件ANSYS Workbench中,選擇3種工況對門架結構進行靜力學分析,分析結構的應力分布及變形規律,對門架結構進行合理評價,提出相關建議。1.1 相關參數某造船用單臂架門座起重機的額定起重量為260t,最大額定起重力矩為5200tm,整機工作級別為A5,軌距12m、基距15m,最大輪壓35t,工作狀態計算風壓250Pa,非工作狀態計算風壓600Pa。門架結構由2根端梁和主梁連接成工字形箱形結構,再與筒體共同組成門架,承受上部結構的所有質量、吊重、風力和機構運動時引起的慣性力以及由上述載荷引起的力矩。這種門架的風阻力小、自重輕,適用于狹窄的場所。門架結構簡圖如圖1所示。

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圖1 門架結構簡圖

門架結構材料為Q345B,密度為7.85×103kg/m3,常溫下屈服強度為345MPa,定義彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3。1.2 計算工況選取起重機最不利的運行工況,分析起重機在相應工況額定荷載作用下的應力、位移分布規律。在不同工況下,起重臂與起重機運行軌道的夾角是變化的,并影響到作用于圓筒上的彎矩,對門架結構的受力狀態有明顯的影響,選取其中3種最典型的工況狀態分別進行計算分析。工況示意圖如圖2所示。

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圖2 起重機工況示意圖

工況1:起重臂平行于軌道,即φ=90°。工況2:起重臂垂直于AC連線,即φ=arctanl/B=38.66°。工況3:起重臂垂直于軌道,即φ=0°。2 有限元模型2.1 邊界條件起重機在工作過程中是以2根端梁與行走機構平衡梁的連接支座作為支承點,按其工作時狀態,將2根端梁同一側的支座作為固定約束,6個自由度全約束,將另一側的支座作為允許沿軌道方向移動的空間活動約束,即約束5個自由度。2.2 施加載荷門架結構受到的載荷有自重G、風載荷Fw、上部結構產生的垂直載荷N以及扭矩Mn、工作負荷產生的彎矩M和水平力F。ANSYS Workbench可選取面直接加載。2.3 劃分網格門架為一框架結構,用三維實體單元來描述門架結構,更能反映其實際狀況。在ANSYS Workbench軟件中,三維實體單元有六面體單元和四面體單元等2種。由于六面體單元在劃分時要求結構比較規則,對門架結構進行六面體網格的自動劃分十分困難,而用四面體單元分析三維結構,單元劃分比較靈活,可以更近似于復雜的幾何形狀。門架結構模型網格如圖3所示。

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圖3 門架結構模型

3 結果分析及結構改進工況1門架的靜力學有限元分析結果圖見圖4。工況2、工況3相對于工況1的主要區別是起重臂與起重機運行軌道夾角的不同,在對模型進行加載時表現為圓筒表面所受彎矩方向的不同,這2種工況下的有限元分析結果不再列出。

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圖4 門架結構工況1應力及變形云圖

從應力云圖可以看出,高應力區主要集中在圓筒與主梁、主梁與端梁的結合處。不計局部應力集中的影響,工況1、工況2、工況3的最大合成應力分別為228.7MPa、219.5MPa、206.5MPa,均小于許用應力242.5MPa;最大撓度出現在主梁的中部,3種工況下最大撓度分別為1.07mm、0.95mm、0.79mm,均小于撓度許用值6mm(l/2000)。所以,門架結構強度及剛度均滿足要求。同時還注意到,主梁與端梁連接處,由于剛度出現突變,應力分布不均勻,在連接處增加筋板,以可改善應力分布。加筋方案及工況1計算結果如圖5所示。

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圖5 門架結構局部加筋及應力云圖

從圖5的應力云圖可以看出,整個門架的應力分布趨于均勻,且相同位置的應力均有所減小,其中主梁腹板的最大應力由228.7MPa減小為206.9MPa,端梁上蓋板與主梁翼板連接處局部應力由279.2MPa減小為194.4MPa,加筋效果明顯。4 結束語本文利用Solidworks建立門架結構三維模型并導入有限元軟件ANSYS Workbench中,選擇3種工況對門架結構進行分析,得到了門架結構的最大應力和最大撓度,及其應力和位移分布規律。分析的結果可以非常直觀地反映部件的受力情況、薄弱部位等信息,可以作為確定板厚及需加強部位的依據,有助于的材料的合理選用,為門座起重機新產品的開發和現有產品的結構改進提供依據。

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