基于ANSYS建模桥式起重机主梁有限元分析

李常胜

（河北建筑工程学院，河北 张家口075000）

0 引 言

起重运输设备主要从事搬运、转载、储存作业的大型工程机械，在建筑施工和工业生产上比较常用.桥式起重机属于其中之一，而主梁又是桥式起重机中最主要的之一，它与端梁共同组成桥架—主要承载结构.它承受着垂直方向的载荷（小车自重或起吊重物时引起的轮压、主梁自重和大车驱动机构、电气设备的重量）和水平方向的载荷（当起重机或小车起动和制动时产生的惯性力）.所以主梁应该有足够的垂直和水平方向的强度、刚度和稳定性，并有良好的抗疲劳性能和足够的疲劳强度.主梁的高度根据起重量和跨度决定，主梁分为导电侧和传动侧，根据计算，QD20／5t－13m传动侧的主梁所受力比较多，而且水平刚度较垂直刚度易于保证，故只分析传动侧主梁垂直方向的刚度.

1 主梁有限元模型的建立

1.1 建模思路

ANSYS软件提供了三种建模方法：（1）自底向上建模，即点－线－面－体（2）自上向下建模（3）采用CAD软件建模，导入ANSYS进行分析.

由于主梁结构比较复杂，大、小隔板（筋板）较多，计算量较大所以在建模过程中对主梁部分结构进行了一定的简化处理，略去和简化了一些对计算结果影响不大的结构.例如：圆角、倒角等略去不计.

若想对主梁做精确的分析，可以使用CAD软件，例如SolidWorks软件精确建模，将文件保存成parasolid格式，然后导入ANSYS进行分析.（保存文件名必须是英文格式，因为ANSYS是纯英文软件）

此次对主梁的分析采用第一种建模方法.一般分为前处理（制定作业名和分析标题、定义单元类型、定义单元实常数、定义材料属性、创建几何模型、对实体模型进行网格划分）、加载求解（定义分析类型和分析选项、施加载荷及约束、制定载荷步骤选项、求解初始化）、后处理（从计算结果中读取数据、对计算结果进行各种图形化显示、计算结果列表显示、进行各种后续处理）三个步骤.

主梁大部分是结构件，采用焊接拼装，故采用板壳单元SHELL63.采用自底向上建模方法，对传动侧主梁进行静刚度分析，首先建立各个关键点，然后由关键点生成面，最后定义面的类型，划分网格，施加约束，最后加载求解.

1.2 有限元模型的建立

主梁的主要技术参数有：上盖板：12×400×13420mm，下盖板：12×400×13488mm，腹板：12×400×13488mm，大隔板1：6×340×745mm、大隔板2：6×340×750mm、小隔板：6×340×750mm.传动侧主梁工况分析如下：跨中左右1200mm处有F1＝72650N、F2＝65850N

图1

1.2.1 制定作业名和分析标题

依次单击

File－Change Jobname；File－Change Title

命令流如下

／FILNAME，ZL1－1

／TITLE，Grane Model

1.2.2 定义单元类型和定义单元实常数

（1）由技术参数可得，定义两种板厚即可.H＝10mm，L＝6mm.

依次单击：Preprocessor－Element Type－Add／Edit／Delete，弹出Library of Element Type，选择Shell－Elastic 4node63，在序号中输入1，依此建立第二种单元.

ET，1，SHELL63

＊SET，H，12

ET，2，SHELL63

＊SET，L，6

（2）定义单元实常数

依次单击：Preprocessor－Real Constant，按要求设置两种单元的板厚.

命令流如下

ET，1，SHELL63

＊SET，H，12

ET，2，SHELL63

＊SET，L，6

1.2.3 定义材料性能参数

依次单击

Preprocessor－MaterialModels－Structural－Linear－Elastic－Is

Otropic，分别设置弹性模量2.1e11，泊松比0.3，密度7.85e－6

命令流如下

MP，EX，1，2.1e11

MP，PRXY，1，0.3

MP，DENS，1，0，7.85e－6

1.2.4 生成几何模型、划分网格

（1）创建关键点

依次单击

Preprocessor－Modeling－Creat－Keypoints－In Active CS

格式如下

K，1，0，0，0

依此建立1／4主梁的关键点（包括主梁和筋板的关键点），以X－Y平面镜像生成1／2主梁.

（2）由关键点生成面

依次单击

Preprocessor－Modeling－Creat－Area－Arbitrary－The KPS

格式如下

A，1，2，13，14

依此建立一半主梁的各个面.

（3）平移复制面

以Y－Z平面镜像生成另外1／2主梁

命令流如下

AGEN，2，ALL，，，，，－352，，，0

（4）设置网格划分单元属性

依次单击

Preprocessor－Meshing－Mesh Attributes－Pick Area，分别拾取上下盖板定义为单元1，腹板定义为单元2.

（5）预设网格种子

依次单击

Preprocessor－Meshing－Size Cntrls－ManualSize

命令流如下

LESIZE，ALL，100

（6）网格划分

依次单击

Preprocessor－Meshing－Mesh－Area－Mapped－3or 4sided

命令流如下

AMESH，ALL

2 加载求解

（1）施加约束

约束形式如图1，左端固定铰支座，右端活动铰支座，支撑选择面

依次单击

Solution－Define Loads－Apply－Structural－Displacement－on Areas

命令流如下

DA，18，ALL

DA，46，UY

（2）施加载荷

依次单击

Solution－Define Loads－Apply－Structural

考虑自重，命令流如下

ACEL，0，9.8

依次施加工况分析中的载荷

（3）求解

Solution－Slove－CurrentLS

命令流如下

SOLVE

3 后处理

（1）查看变形图

依次单击

General Postproc－Plot Result－Deformed Shaped

命令流如下PLDISP，2

（2）显示等效应力云图

依次单击

General Postproc－Plot Result－Contour Plot－Nodal Solution－Stress

命令流如下

PLNSOL，S，EQV

4 结 论

跨度中间变形最大，因为主梁有一定的上拱度，所以主梁静刚度符合要求；左右支撑处应力较大，和计算结果符合.

［1］中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.中国国家标准化管理委员会.GB 3811－1983起重机设计规范［S］.北京：中国标准出版社，2008

［2］王生，许可晋，翟甲昌.断裂力学方法估算起重机箱型梁的疲劳寿命［J］.山西机械，1994（2）：33～34

［3］ZHAO Zhang－yan，SUN Guo－zheng.Faults distribution of port cranes metal structure［J］.Journal of Wuhan Transportation University，1999，23（6）：679～680

［4］龚道雄.基于SolidWorks的桥式起重机参数化设计.武汉理工大学，2009（05）

［5］李阳，梁臻.桥式起重机大车大梁有限元分析［J］.湖北工业大学学报，2012，08：22～24

［6］孙肇鹏，刘善增，吴楠.基于ANSYS的双梁桥式起重机主梁有限元分析［J］.煤矿机械，2012，08：115～116