门座式起重机结构强度分析

徐香香

摘 要：文章以某港口改造的门座式起重机金属结构为计算模型，按照《欧洲起重机机械设计规范》利用有限元分析软件ANSYS进行了强度计算，为整机的结构设计提供依据。改造后的门座式起重机改变了部分结构，减轻了整机重量，降低了经济成本，适应了新的工作环境。

关键词：门座式起重机；有限元计算；结构强度；载荷组合

该门座起重机是专为修、造船配套的起重机设备。文章以其为主要研究对象，利用ANSYS10.0对金属结构进行建模分析，完成了不同工况下的结构强度分析。

1 门座起重机的组成

门座起重机的结构形式如圖1所示。其主要由大车行走机构、门架、转盘、机器房、人字架、臂架系统等组成。大车行走机构实现起重机的运行，转盘实现起重机臂架的回转，缠绕系统和臂架系统实现货物的升降，起重机的带载变幅等动作。

1-大车行走机构 2-门架 3-转盘 4-机器房 5-人字架

6-缠绕系统 7-臂架系统 8-主钩 9-副钩

图1 门座起重机结构简图

2 门座起重机的载荷种类

2.1 固定载荷 SG

固定载荷即为起重机的自重载荷，包括金属结构、机械装置、电气设备以及配重等。

2.2 额定起升载荷 SL

额定起升载荷指总起升质量的重力。

2.3 惯性载荷。由水平运动加速或减速引起的惯性载荷，可以用加速度值来进行计算。

SH=ac×（SG+SL）

式中，ac-运动部分对应的加速度。

2.4 侧向载荷。当两个车轮沿一根轨道偏斜行走时，应考虑垂直于轨道的水平力所形成的力偶。

SK=■？姿P中，？姿-侧压力系数，取决于跨距与基距之比；P-受侧向力作用侧的起重机走轮上的最大总轮压。

3 模型建立

该起重机模型运用有限元软件ANSYS进行分析计算。考虑到各部分结构形式和受力情况的不同，建模过程中采用了4种单元类型：梁单元Beam44、管单元Pipe16、杆单元Link8以及质量单元Mass21。

3.1 Beam44单元

Beam44具有拉伸、压缩、扭转和弯曲功能的单轴单元。该起重机的端梁、横梁、机器房底座和部分人字架采用的是箱型梁与工字梁结构，这些部件都采用的Beam44单元类型。

3.2 Pipe16单元

Pipe16是一个轴向拉压、扭转和弯曲单元。该起重机的门架、部分人字架和臂架系统采用的是Pipe16单元类型。

4 起重机载荷工况组合

4.1 起重机工作状态

4.1.1 臂架上仰27°、45°、58°、78°，同时起重机正常工作。

4.1.2 臂架水平，臂架下俯13°处于锚定状态，起重机不工作。

4.2 工况组合

该起重机的工况组合分为无风工作工况、有风工作工况和暴风工作工况。如果行走运动只是为了调整起重机作业位置，而不是经常用于搬运货物，不考虑侧向力的影响。各种工况下的载荷分别如下：

无风工作工况

有风工作工况

暴风工作工况

5 有限元法的计算原理

在文章的结构力学分析中，ANSYS采用变分学和最小势能原理进行求解。以一端固定一段自由梁为例。其总能量可用拉格朗日函数L表示。

（*） 则其泛函数为 ，

由拉格朗日函数可知，L是？棕和w"的函数，即L=L（？棕，w"），？棕-为弹性梁的挠度。

其最小势能可用变分泛函数表示：

令？啄？仔=0，即可求出极值。

因为？啄w为任意函数，所以■=0，（■）=0，这两项为弹性梁的边界条件，第三项即为弹性梁的平衡方程。所以平衡方程为■+（■）"=0，把（*）式代入，得

q+EIw""=0

由推理过程可知，泛函数和平衡方程是等价的。首先假设一组符合于边界条件的试调函数，并将其代入能量方程式中，再对试解函数的各个系数作微分，令之为零，找出能量方程式的最小值，最后解得试解函数的各个系数。其中可以利用三角函数、幂函数等作为试解函数。

6 整机计算结果及分析

6.1 许用应力的规定

该起重机主结构制造材料为Q345B，其许用应力为：[？滓]=■，？滓s=345MPa，n为安全系数。无风工况下的许用用力为230MPa；有风工况下的许用应力为259.4MPa；暴风工况下的许用应力为313.6MPa。

6.2 各个工况下的应力分布

计算结果中显示，工作工况在78°是出现最大应力213.238MP，位于变幅钢丝绳和臂架的连接处；非工作工况在-13°时出现最大应力240.704MP，位于转盘和臂架的连接处，如图2所示。

7 结束语

（1）在用ANSYS进行结构分析计算时，要全面考虑载荷组合及作用方式，尤其是作用力很大但是合力为零的载荷，如钢丝绳的预紧力等。（2）在实际工作中起重机金属结构受力比较复杂，使用有限元软件ANSYS就可以较好的模拟起重机在各种工况下的真实应力情况，大幅度提高整体结构可靠性及安全性。但是ANSYS是个分析工具，对于具体的实际情况还是需要借助力学知识进行分析。（3）通过计算结果可以得到模型的应力分布以及各节点力，可通过对数据的分析进行进一步的优化设计。如调整结构板厚以及配重的质量，使得金属结构的整体应力分布最优化，使得结构质量尽量轻巧的同时又能满足结构可靠性的要求。

参考文献

[1]潘钟林.欧洲起重机机械设计规范[S].上海振华港口机械公司译丛（修订版），1998.

[2]陈玮璋.起重机金属结构[M].北京人民交通出版社，1986.

[3]李谷音.港口起重机械[M].人民交通出版社，2011.

[4]王勖成.有限元法[M].清华大学出版社，2002.