5t-22.5m双梁桥式起重机的有限元分析

厉乐乐

（浙江省特种设备检验研究院赛福特特种设备检测有限公司，杭州 310015）

0 引言

桥式起重机是横架在车间、仓库和料场上空进行物体吊装的起重设备，是使用范围最广和数量最多的起重机械。采用传统的力学解析方法对桥式起重机的各个截面进行应力状态分析时，计算公式繁杂且很难做到精确。在合理简化后的桥式起重机三维模型基础上，采用ANSYS 软件进行有限元分析，可以便捷和相对精确地计算出各个截面的应力分布及变形量。

本文介绍了5 t-22.5 m 双梁桥式起重机的有限元建模，静态强度、静态刚度的校核计算及模态分析。

1 有限元建模

该双梁桥式起重机的额定起重量为5 t，工作级别为A5，主梁跨度为22.5 m，起升小车的轮距为3.5 m，端梁驱动机构的轮距为5.5 m，起升小车及吊钩组件重量约为3 t。其结构简图如图1 所示。

1.1 模型的简化假设

1）三维建模时，取消了对计算结果影响可以忽略不计的倒角和倒圆角。

2）主梁翼缘板和腹板上的加强筋，主要作用是为了提高局部稳定性，对主梁整体的静态刚度和静态强度影响很小［1］，因此在有限元模型中可以省略，以提高建模效率。

3）主梁上的小车轨道对静态刚度和静态强度影响比较大［1］，因此在有限元模型中，必须保留小车轨道。

4）取消端梁上的驱动机构不影响主梁和端梁的强度分析结果。用梁单元beam4组成的载荷伞模拟驱动轮销轴。

5）起重机的额定起重量及起升机构的重量直接施加在小车轨道的节点上。

图1 双梁桥式起重机结构简图

6）假设每个小车车轮作用在主梁上的载荷大小相等。

1.2 主要建模过程

首先使用SolidWorks 软件建立该双梁桥式起重机的三维实体模型，然后将三维模型保存为x_t 的文件格式，接着导入Workbench 中进行网格划分，最后将有限元模型导入ANSYS Mechanical 中进行边界条件的设置和求解计算。

由图1 可知：双梁桥式起重机的结构和负载具有对称性，为提高计算速度，在静态强度计算和静态刚度计算时，只需建立一半对称结构的有限元模型，如图2 所示。

图2 静态强度分析有限元模型

1.3 单元类型

目前一些工程设计人员使用壳单元shell63［2-3］和梁单元Beam44［1］建立桥式起重机的有限元模型。虽然使用壳单元shell63、梁单元Beam44 建立的有限元模型，相对节点数少，求解速度快，对计算机性能要求低，但随着计算机技术的发展，采用三维实体单元Solid186 和Solid187 建立桥式起重机有限元模型也是一种发展趋势。

本文采用Solid186 和Solid187 单元建立有限元模型。在Workbench 中选择六面体占主导的网格划分方式（Hex Dominant Method），进行网格划分。

1.4 边界条件的设定

1）在端梁上模拟驱动轮销轴的梁单元beam4 交点处添加X、Y、Z 三个方向的平移约束，即端梁通过驱动机构的车轮与行走轨道铰接。

2）在端梁中间的对称截面上添加symmetry B.C.对称约束。

3）设置重力加速度值g=9.8m/s2。

2 静力学分析

2.1 工况1：起升小车位于主梁中间

该双梁桥式起重机的起升状态级别为HC2，稳定起升速度为8 m/min，则起升动载系数为1.15。计算可得每个小车车轮承受的载荷为21 437 N。

当小车位于主梁跨中时，得到如图3 和图4 所示的Von Mises 等效应力云图及变形图。

图3 小车位于主梁跨中时的等效应力

图4 小车位于主梁跨中时的变形图

2.2 工况2：起升小车位于主梁端部

当小车位于主梁端部时，得到如图5 和图6 所示的Von Mises 等效应力云图及变形图。

图5 小车位于主梁端部时的等效应力

图6 小车位于主梁端部时的变形图

由图3 可知：当小车位于主梁跨中时，最大应力出现在主梁跨中的翼缘板上。由图5 可知：当小车位于主梁端面时，最大应力点出现在端梁上。

由表1 可知：当满载起升小车位于主梁跨中时，主梁最大挠度为6.5 mm，符合GB/T 3811-2008《起重机设计规范》对起重机静刚度的要求，即fi≤S/1 000，其中fi为起重机的静刚度，S 为起重机的跨度。对于静态强度，主梁与端梁上的最大Von Mises 等效应力为39.4 MPa，远小于主梁与端梁材料Q235B 的屈服强度，满足设计要求。

3 模态分析

桥式起重机在结构动力学响应中，低阶模态占主导地位，高阶模态的影响可以忽略不计［3］，因此在模态分析时，取前二阶振型及固有频率。由于symmetry B.C.对称约束可能会造成反对称模态振型的丢失，因此在模态分析时，将模型镜像成完整模型后，合并对称面节点，取消symmetry B.C.对称约束。模态分析结果如表2 所示。

由表2 可知，该双梁桥式起重机的第一阶固有频率f=4.68 Hz，符合GB/T 3811-2008《起重机设计规范》对起重机动刚度的要求，即满足自振固有频率不小于2 Hz。

图7 和图8 为前二阶模态振型。

表1 双梁桥式起重机静力学分析结果

表2 前二阶固有频率Hz

图7 第一阶模态振型

图8 第二阶模态振型

4 结论

本文采用ANSYS 软件对5 t-22.5 m 双梁桥式起重机进行了有限元分析，得到如下结论：该起重机的静态强度、静态刚度和固有频率均达到GB/T 3811-2008《起重机设计规范》中的相应要求，为进一步的优化设计提供了参考依据。

［1］王小慧，程文明，杨春松，等.起重机金属结构有限元分析的模型处理技术［J］.起重运输机械，2006（9）：32-34.

［2］陶元芳，薛孝磊，丁振兴，等.大吨位桥式起重机主梁跨端变截面处有限元分析［J］.中国工程机械学报，2012（6）：180-185.

［3］张学良，王家营，连晋华，等.基于ANSYS 的桥式起重机主梁模态分析［J］.起重运输机械，2007（11）：56-58.