电动单梁起重机的强度和刚度分析

摘要： 电动单梁起重机作为一种起重运输机械，重物挂在其上，比较简单，可以适应不同的工作环境。但作为一种大型承重机械，一旦出现事故，不但影响生产，甚至造成车毁人亡，因此对其强度和刚度提出较高的要求。文章通过三维UG软件建立电动单梁起重机模型，导入到HyperMesh有限元分析软件中，建立有限元模型，划分网格，加载力和约束，然后在Nastran软件中进行强度和刚度分析。通过分析表明，采用该软件进行设计分析，可以提高产品设计的周期和大大降低成本。

关键词：电动单梁起重机；有限元；强度；刚度；载荷与边界条件

中图分类号：TH211文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）01-0078-02

一、概述

伴随着我国计算机技术的发展，先进的分析设计方法和计算方法在很多领域已经大量应用，如今突破传统设计方法和理念，把有限元法的分析设计方法引入特种设备的设计和制造已经开始应用于部分企业，在节省材料的同时，产品设计成本可以大大减小，其带来的经济效益将十分显著。

HyperMesh软件在机械行业得到广泛的使用。根据所用的求解器不同，HyperMesh软件首先要将导入的几何模型进行简化处理，为进一步建立其有限元模型做准备。其次要定义其边界条件，包括各种约束和载荷类型等。MSC.Patran是一个大型结构有限元分析软件，其主要的分析功能有：静力学分析、屈曲分析、动力学分析、热力学分析等。

目前我国很多企业对单梁购买量越来越大，单梁经济性和安全性和成为客户的主要衡量指标。且电动单梁起重机又是企业用得桥门类起重机最多的起重机，它的性能好坏直接关系到起重机操作工的安全性，一旦出现事故，不但影响生产，甚至造成车毁人亡，有可能影响企业的整体经济性和企业形象。

二、有限元建模

建立单梁的有限元模型，就是根据所分析的问题的具体情况，选取合适的有限元单元。有限元模型是进行有限元分析的基础，有限元模型的精度对问题的求解规模和准确性有很大的影响。首先把三维UG图形通过.IPGS模式导入到Hypermesh软件，电动单梁起重机各个部件网格的划分，网格的划分调整要根据实际结构的复杂程度决定，在其结构形状变化大比较复杂的区域，单元划分要密，结构相对简单的地方单元划分要疏些，以便在不影响计算精度的前提下，使计算机的计算时间减少。

由于钢材都是板件，采用壳单元进行划分网格。在划分网格之前需要把三维图形抽中面，清理网格等。

三、有限元分析

（一）有限元单元

由于钢材都是薄板件，采用壳单元进行划分网格。对于焊点用Weld单元面—面连接和Rigid点—点单元连接来模拟；对于比较大的焊缝，用补单元的方式进行模拟；比较小的焊缝用节点耦合，或者两者相结合使用。螺栓连接也是转向系统主要承载方式之一。关于螺栓的连接，在该车型中主要有三种格式的，由图中可以清楚的看到（对于螺栓的模拟方法与焊点类似）。

（二）载荷与边界条件

电动单梁起重机由起升机构、运行机构和装卸桥组成。主梁和端梁是起重机的重要组成部分，其安全可靠性直接决定着起重机的工作能力和工作质量。单梁主要由电动葫芦、金属结构、大车运行机构、电气装置等组成。在分析中很多地方需要进行简化，例如电动葫芦和电气装置的连接以及电气装置等。单梁的材质为Q235B，10t-20m的额定起重量为10t，跨度为20m，工作级别为A3，轮距为4m，起升高度为8m，起升速度为8m／min，大车速度为20m／min，小车速度为20m／min，上盖板厚×长为8mm×600mm，下盖板厚×长8mm×600mm，腹板厚×高6mm×800mm，泊松比为0.3，弹性模量为2.1×10２，密度为7.85×10６kg/m3。在额载时单梁载荷为10t，取动力系数为1.25，由此起升载荷为12500kg其他的电器装置总共为0.5t，葫芦为1.2t，这些载荷以均载荷加载到相应的单元上面。

电动单梁起重机的实际工作状态，边界条件是大车支腿与钢结构轨道的支撑点为X方向、Y方向、Z方向以及绕X、Y轴的旋转，从而模拟单梁大车行走的方向。

（三）有限元分析结果

在Nastran软件中进行强度和刚度分析，通过强度计算结构的应力分布和变形。利用最大复合应力评价结构静强度，对于该起重机，安全系数取1.33，材料Q235的屈服极限为235MPa，因此该起重机的许用应力为176.7MPa。最大静挠度用来评价结构静刚度，依据GB3811-2008，该起重机中部载荷工况最大静挠度YL不超过28.6mm（对A3级别，YLS／700，其中S为起重机跨度，此处为20m）。

起重载荷位于跨度中部工况静强度分析应力云纹图，如图1所示：

通过板壳元应力云纹图，最大复合应力为156MPa，在主梁的中间部位上，该起重机在该工况下满足静强度要求。起升载荷作用点最大垂向变形量为20mm，小于28.6mm，满足静刚度要求。

四、结论

1．分析电动单梁起重机的刚度和强度，能够提前获得其抵抗变形能力，有利于了解其结构的性能

原因。

2．通过有限元分析，计算出电动单梁起重机有限元模型的强度和刚度，为进一步研究电动单梁起重机的其他特性分析提供了实际参考，且通过分析表明，采用该软件进行设计分析，可以提高产品性能和开发周期，具有很好的社会效益和经济效益。

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作者简介：李芳龙（1982-），男，安徽宣城人，供职于安徽省特种设备检测院起重检测中心，硕士，研究方向：起重检验检测。

（责任编辑：赵秀娟）