基于GB/TGB/T38113811的桁架门式起重机结构有限元分析后处理实现

董天东　张占辉

（河南省特种设备安全检测研究院，河南　郑州　45500000000）

基于GB/TGB/T38113811的桁架门式起重机结构有限元分析后处理实现

董天东张占辉

（河南省特种设备安全检测研究院，河南郑州45500000000）

本文主要论述了桁架门式起重机结构有限元分析后处理技术的实现，从有限元分析的原理出发，结合起重机械设计规范GB/T3811-2008的核算要求，论述了采用APDL语言编程处理桁架门式起重机结构分析的强度、稳定性验算以及结果输出文件的处理过程，为更高效地利用有限元对起重机械金属结构分析后的计算结果提供一种参考，同时也方便研究人员对计算结果的读取理解。

桁架门式起重机；有限元；后处理

桁架门式起重机的金属结构具有自重轻、迎风面积小、承载能力大等特点，从而得到广泛使用［1］，尤其是在起重量为中小吨位的门式起重机上的应用最具代表性，同时该类型起重机也是河南省起重机械产业的主导产品。目前我国把起重机械列入特种设备进行安全管理，采取制造许可、型式试验以及监督检验和定期检验等手段加强全生命周期内的安全评价，但受技术水平和人才优势的制约，大量中小企业缺少计算和分析能力，型式试验机构人员面对大量该类型的起重机也亟须采取一种快速、高效的手段进行核算，而有限元分析技术被认为是目前最有效的手段之一，但在采取有限元分析技术时，笔者发现国内大量论述集中在为解决耗费工作量问题的参数化建模方面，对分析结果的后处理技术介绍较少，为此本文结合起重机设计规范GB/T3811-2008中对起重机金属结构强度、稳定性的核算规则和验算要求，对后处理技术的实现做一提炼，供国内同行和起重机制造企业的分析人员参考。

1　实现原理

目前公认的对起重机金属结构分析有效的工具是有限元分析技术，其分析过程常是建模、求解和后处理。这里的求解就是根据有限元相关技术求解节点位移，进而求解出内力和应力的过程，而求解完成问题后，会把计算结果保存在一个表里面，表的行是单元的编号，表的列是单元的计算结果，如节点位移、节点力、应力、应变等，结合建模过程中单元的基本参数，是可以根据起重机设计规范的要求，分别计算各单元的强度和稳定性，如通过遍历全部杆件，并根据计算出的内力结果进行比较，就完成了后处理的可视化，流程如图1所示。现在的问题关键是起重机设计规范和有限元计算结果的有机结合，也就是所谓后处理，观察和分析有限元的计算结果，来判定计算是否正确。

图1　后处理分析流程图

本文以有限元分析软件ANSYS来论述，在ANSYS 中Beam188作为三维线性有限梁单元常被用来分析空间桁架结构，运用APDL语言开发后处理的宏文件，提取ANSYS软件计算的结果，运用我国《起重机设计规范》计算公式，合理简化后核算起重机结构的强度和稳定性，其中稳定性验算是空间双向压弯构件的梁杆单元在弹性的理论假设下的稳定性分析。

2　后处理技术的实现及结果输出

后处理基本功能包括数据提取和准备、稳定与强度判断和基本数据输出三部分。

2.1数据的提取和准备

正如上所示，ANSYS求解完成问题后，会把计算结果保存在一个表里面，表的行是单元的编号，表的列是单元的计算结果，如节点位移、节点力、应力、应变等，ETABLE这个命令就是把表中的某个列取出来，赋值给某个自定义的向量，再通过*GET命令可以指定某个具体的单元，就可以把该单元对应计算结果取出来。

梁的轴力和弯矩是常用的力学参数，Beam188的后处理中提供了线性的应力输出作为SMISC输出命令的一部分，命令格式如下［2］：

ETABLE，Lab，Item，Comp！将单元值生成一个表以便进一步的处理。

命令选项解释：

Lab——用户自定义的表名；

Item——选项名称，这里是SMISC；

Comp——选项的栏目名，见表1；

表1　BEAM188部分选项名称、命令与栏目序号

SMISC输出命令的输出项目对应一个序列号，如i节点的轴力序号为1，则i节点处的轴力列表命令为“ETABLE，forx_i，SMISC，1”。

2.2计算许用应力、复合应力和弯曲应力

首先要根据金属材料的屈强比计算许用应力，对于中小吨位的桁架门式起重机常使用Q235b，屈强比0.51～0.63［3］，所以根据文献［3］，其许用应力计算：式中［σ］——钢材的基本许用应力（MPa）；

式中〔σ〕——钢材的基本许用应力（MPa）；

σs——材料的屈服极限（MPa）。

n——与载荷组合类别相对应的安全系数；

进而获取单元总数和单元的最小编号，并定义与单元总数维数相同的数组P_WSS存储弯曲应力，P_SMISS存储复合应力。

应力计算代码如下（K为遍历到的第K个杆件单元编号）：

2.3计算稳定系数

稳定系数的计算是稳定性计算中的重点和难点，GB/T3811-2008版设计规范中考虑了构件的工艺和截面型式对稳定系数的影响，所以需要用户根据截面类别获取计算系数，然后根据计算公式求得稳定系数，进而求得稳定许用应力。定义数组P_EF存储稳定系数，定义数组P_BUCKLS为稳定许用应力，进而将公式编入APDL程序即可完成计算。程序进入循环后依次获取当前单元编号的长度、轴应力、面积、抗弯模量等数据，进而计算长细比λ和λn。计算简要代码如下：

计算稳定系数时，长细比不同对应着不同的计算式，使用判断语句来选择计算公式。判断及计算代码如下：

2.4数据文件输出

数据文件的输出是将上述计算得到的数组输出到某文件供查看的过程。需要使用的APDL宏命令如CFOPEN，CFWRITE等命令，下面以危险构件的判断与输出为例，简要说明技术实现。

稳定计算中长度计算系数有L_N（3）三种情况，因而每个单元对应了三种稳定许用应力。此外，工程中往往需要判断失稳或强度不足的构件具体位置和具体截面形式，因此，程序判断并输出了构件的截面名称。多次判断后输出，简要代码如下：

程序中加入的判断语段，把每个单元的复合应力P_SMISS（k）与许用应力对比，轴向应力与稳定许用应力对比，不满足强度或稳定性的单元标记为危险单元，输出到文件中供分析者查看，如表2所示。

表2　部分危险单元数据

部件建模的宏文件中已经把各部件模型分组，后处理程序利用分组对每组中的杆件根据轴向力排序，输出轴向力最大的10根杆件的受力情况，为设计者提供更改模型的数据依据。如主梁的下主弦数据如下表3所示：

3　结论

本文根据起重机设计规范GB/T3811-2008中的强度、刚度和稳定性要求，探讨了有限元分析后处理技术的实现，包括规范中的强度和刚度计算方法和轴心受压和双向压弯的稳定理论，其中包括许用应力、单肢长细比、格构式构件等效长细比、欧拉临界力、稳定系数、稳定许用应力的计算方法，并从这些基础算法中提取出准确、有效且适用于编程的算式。同时通过提取ANSYS的单元内力，计算其复合应力完成强度校核。运用程序语言，将起重机设计规范中的稳定计算理论，结合ANSYS通用后处理数据应用于桁架门式起重机的自动化分析与校核，实现了自动判断桁架门式起重机金属结构是否满足强度、刚度和稳定性要求。

［1］虞和谦，王金诺，包起帆.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，1998.

［2］ANSYS Element reference V11.0.

［3］GB/T 3811-2008.起重机设计规范［S］.北京：国家标准出版社，2008.

The Implementation of Finite Element Analysis Post-Processing on Truss-Type Gantry Crane based on GB/T3811

Dong Tiandong Zhang Zhanhui
（Henan Institute of Special Equipment Safety Inspection and Testing，Zhengzhou Henan 450000）

This paper mainly discusses the implementation of finite element analysis post-processing technology on truss-type gantry crane，starting from the principles of finite element analysis，combined with the calculation requirements of the design rules（GB/T 3811-2008）for cranes，describes the process of treating the analyzed strength，stability verification and calculation，and results output of truss-type gantry crane structure by APDL language programming.It provides a reference for a higher efficient using of the calculation results analyzed on the crane mental structure by finite element，and it is also convenient for the researchers to read and understand the calculation results.

truss-type gantry crane；the finite element；post-processing

TH213

A

1003-5168（2015）10-0032-4

2015-9-11

国家质检总局科技计划项目电动葫芦门式起重机型式试验结构分析与评价系统的开发（2013QK105）。

董天东，男，汉族，工程师，研究方向：特种设备安全检验技术。