80tonX58mH35M门式起重机柔性支腿的有限元分析

刘建英，刘 军

(河南工程学院 机械工程系，河南 郑州 451191)

随着起重机行业的不断发展，传统的设计试验方法已不能满足设计试验的要求.本文通过三维形式对80tonX58mH35M门式起重机柔性支腿进行了设计并进行了仿真[1-5]，这样可以在样机制造之前发现问题，节约制造费用，还可以通过模拟仿真得到所有节点的应力值，为起重机的设计试验提供更合理的数据.

1 柔性支腿建模

本文所选择的80tonX58mH35M门式起重机的最大起重量为80 t，跨距为58 m，用SolidWorks三维建模软件构建模型[6-17]，所有尺寸严格按照图纸要求进行绘制.柔性支腿由10根不等边角钢、29个隔板和隔板框、4个钢套和其他一些零件焊接而成，不等边角钢和板材材料均为Q345.柔性支腿模型如图1所示.

2 柔性支腿模型的简化

80tonX58mH35M门式起重机柔性支腿的结构复杂，该模型不能直接进行有限元分析，需要在建立数学模型时对其结构进行合理简化.柔性支腿的结构组成包括板材、不等边角钢等实体，对于板材来说提取面就可以了，不等边角钢可以不做处理.

简化后的柔性支腿曲面模型如图2所示.

图1 柔性支腿模型Fig.1 Modle of the flexible leg

图2 柔性支腿简化曲面模型Fig.2 Simplification curve modle of the flexible leg

3 用SolidWorks Simulation对起重机柔性支腿进行分析

对柔性支腿的分析选择2种类型的算例：静态和屈曲.静态分析是为了分析其强度和刚度，屈曲是为了对柔性支腿进行稳定性分析.首先对柔性支腿进行静态分析，然后进行稳定性分析.

图3 柔性支腿横梁单元编辑接点Fig.3 Beam cell compile junction of the flexible leg

3.1 柔性支腿静态分析

3.1.1 柔性支腿静态分析步骤

关键步骤有创建算例、定义材料、添加约束、施加载荷和划分网格.

第一步，创建新算例，选择静态类型.

第二步，编辑接点组，所选横梁类型为所有，结果如图3所示.

第三步，连接.

第四步，柔性腿的一侧与大车车轮轴相切的2个圆面采取“固定铰链”的方式，如图4所示.另一侧的2个圆面则不施加“固定铰链”约束，而对此侧底部的4条边线施加“使用参考几何体”约束，如图5.这样做是为了在起重机受到载荷作用时，使下端梁也起到传递力的作用.

图4 固定铰链约束Fig.4 Fixed hinge restrain

图5 使用参考几何体约束Fig.5 Appliance reference geometry restrain

第五步，施加载荷.载荷施加范围如图6所示，载荷大小为主梁自重的一半、上小车和下小车的重量、起重机的起重量(上小车和下小车位于柔性腿端极限位置)三者之和.主梁自重的一半为94 t，40TX2上小车为35 t，40T下小车为17 t，起重量为80 t，共计226 t.

图6 施加载荷范围Fig.6 Load infliction range

第六步，划分网格，如图7所示.此网格为混合网格，包括实体单元、壳单元和梁单元.柔性支腿较座上的4个钢套划分为实体单元，所有的钢板划分为壳单元，不等边角钢划分为梁单元.

图7 柔性腿网格划分Fig.7 Reseau partition of the flexible leg

3.1.2 静态分析结果

静态求解结果如图8和图9所示.图8为静态应力图，图9为静态位移图.

图8 柔性腿静态应力图Fig.8 Static stress diagram of the flexible leg

图9 柔性腿静态位移图Fig.9 Static displacement diagram of the flexible leg

图10 柔性支腿屈曲分析Fig.10 Flection analysis of the flexible leg

柔性支腿的最大应力为70.288 224 MPa，远远小于材料的屈服强度345 MPa；最大静态位移为3.284 mm，符合标准，但是此设计不太合理，在很大程度上浪费了材料.

3.2 柔性支腿的屈曲分析

之所以对柔性支腿进行稳定性即屈曲分析，是因为柔性支腿属于细长杆结构，在受压时可能发生失稳.进行屈曲分析的所有设定均和静态分析一样，唯一区别就是分析的类型不同.屈曲分析的具体过程由于篇幅所限省略，分析结果如图10所示.

载荷因子BLF 值为3.865 9，在大于1的范围内，所以设计符合要求.

4 结论

针对起重机试验的现状，本文提出了利用SolidWorks结合Simulation对80tonX58mH35M门式起重机柔性支腿进行三维建模和空间受力分析，从而在一定程度上代替实际工程试验并突破其局限性的方法.利用计算机辅助工程分析方法对80tonX58mH35M门式起重机柔性支腿进行试验仿真研究，为设计开发起重机及其重要结构件提供了丰富的信息，解决了样机试验中存在的问题.

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