基于ANSYS Workbench的桥式起重机主梁有限元分析

刘文学，闫 龙，任 军，赵少鹏

（1.河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018；2.河北省教育考试院，河北石家庄 050091）

桥式起重机是在固定跨间内装卸和搬运物料的一种机械设备，能减轻笨重的体力劳动，提高作业效率，主要用于大型加工企业，如钢铁、冶金、建材等行业，被称为工业企业的“脊梁”［1－2］。

主梁是桥式起重机的重要组成部分，也是主要受力元件。在高载荷和高频率工作过程中，主梁应力集中处容易出现疲劳破坏，而疲劳破坏不断积累最终将导致主梁发生疲劳失效。主梁疲劳失效一般发生突然，易造成安全事故和经济损失，主梁疲劳失效通常也意味着整台桥式起重机寿命终结［3－4］。因此，如何在桥式起重机使用过程中监测主梁疲劳受损情况，准确判断主梁剩余寿命，对于保障安全生产，延长起重机使用寿命具有重要意义。

有限元分析法计算精度高，适用于各种复杂形状，被广泛用于工程分析领域［5］。使用ANSYS Workbench对桥式起重机主梁进行有限元分析，综合多种工况分析结果可判断主梁发生疲劳失效的理论区域，为后续主梁贴片检测、预测疲劳寿命提供理论指导。

1 构建主梁模型

本文研究对象为某钢厂所使用的50／10t电动双梁单小车桥式起重机。起重机主梁跨度为13m；主钩额定起重量为50t，最大起升高度为18 m，起升速度为7.8m／min，工作级别为M6；副钩额定起重量为10t，最大起升高度为20 m，起升速度为13.2m／min，工作级别为M5。

1.1 主梁几何模型

研究桥式起重机主梁疲劳寿命，需要对主梁模型进行加载分析，判断主梁受力危险区域。因此，主梁建模合理与否将直接影响后续检测布点、疲劳寿命分析的准确性。为保证主梁模型既可以反映其受力情况，又便于进行有限元分析，在UG 建模过程中，略去导轨、栏杆、电缆、小车和走台等设备。

桥式起重机主梁结构如图1所示。

图1 桥式起重机主梁结构图Fig.1 Diagram of the bridge crane girder

1.2 主梁有限元模型

主梁几何模型构建完成，设置ANSYS Workbench的CAD 配置管理器，使其可以直接读取UG文件，避免使用中间转换格式导入复杂模型可能造成的文件破损与识别错误［6－7］。该起重机主梁材料为Q235－B，导入主梁模型后，设置材料属性，主要参数见表1。

表1 Q235－B材料属性Tab.1 Properties of Q235－B

ANSYS Workbench网格划分包括自动划分和手动划分。理论上网格精度越高，计算结果越接近真实结果，但是网格精度越高，计算机的工作量也越大，因此在分析过程中应权衡精度与计算成本的关系［8－9］。查阅相关文献发现，当网格太密时可能出现应力分析结果急剧增大，与实际结果存在较大出入的情况［10］。经多次试验、比较，本文中主梁划分网格尺寸为150 mm。主梁有限元模型如图2所示。

图2 主梁有限元模型Fig.2 Finite element model of the girder

2 主梁载荷与约束

2.1 载荷类型

桥式起重机工作过程中主梁承受的载荷包括垂直载荷和水平载荷［11－12］。

1）垂直载荷包括桥架自重产生的均布载荷，小车自重与起升重量产生的轮压，运行机构、操作室自重形成的集中载荷。

均布载荷：主梁质量m0＝3 350kg，跨度L0＝13 000 mm。考虑走台、铁轨的重量，取填充系数K＝1.4，均布载荷为q。

小车轮压：根据资料可知，起重机满载时小车轮压分配如图3所示，P1，P2，P3，P4为作用在主梁上的一组轮压。

图3 小车轮压分配图Fig.3 Wheel pressure distribution chart of the trolley

垂直方向载荷还包括操作室重量G1和运行机构重量G2，本起重机驱动方式为分别驱动。

2）当大车启动或制动时产生水平惯性载荷，包括水平均布载荷和水平集中载荷。

水平惯性载荷计算公式为

式中：a是大车启动或制动时的加速度；p为垂直载荷。

水平均布载荷：半桥自重产生的惯性载荷为均布载荷。

水平集中载荷：小车自重和货物质量产生的惯性载荷，操作室、运行机构自重产生的惯性载荷。

2.2 载荷施加

垂直载荷：均布载荷以1.4倍重力加速度作用于主梁整体；小车轮压值较大，应均匀施加在车轮位置周围的节点上［13］；运行机构和操作室重量以点载荷的形式分别作用于上、下盖板相应节点。

水平惯性载荷：水平均布载荷应在与惯性力相反的方向施加全局加速度；小车车轮产生的惯性载荷作用于主梁导轨侧面，应在轮压作用节点水平方向施加载荷；操作室、运行机构自重产生的惯性载荷应在相应垂直载荷作用位置处施加水平方向惯性力。

2.3 约束处理

起重机主梁简化受力模型为简支梁，进行有限元分析时，一端行走支撑中心施加全约束，限制x，y，z方向位移，另一端限制y方向和z方向位移，它们的位移均设置为零［14］。

3 工况分析

设起重机满载时，主梁垂直面内受力如图4所示，主梁承载轮压分别为P3和P4，P3与左端支撑点距离为x，操作室重力为G1，运行机构重力为G2，均布载荷为q。

图4 主梁受力简图Fig.4 Load diagram of the girder

根据主梁受力情况求得当x＝3.767m，即小车距左端支撑点5.557 m 时，主梁上轮压P4作用点处截面弯矩最大，将小车此位置作为一种工况对主梁进行加载分析。

除上述危险位置，结合桥式起重机生产实际，共选取下列4种工况进行主梁加载分析［15］：

工况1，大车制动，小车位于主梁跨端，满载下降制动；

工况2，大车制动，小车位于主梁全长1／4 处，满载下降制动；

工况3，大车制动，小车位于主梁5.557 m 处，满载下降制动；

工况4，大车制动，小车位于主梁跨中，满载下降制动。

4 结果分析

主梁进行简支梁约束处理，确定每种工况中各载荷作用位置，施加载荷求解，得到各工况的应力云图，见图5－图8。主梁有限元分析结果见表2。

图5 工况1主梁应力云图Fig.5 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 1

图6 工况2主梁应力云图Fig.6 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 2

图7 工况3主梁应力云图Fig.7 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 3

图8 工况4主梁应力云图Fig.8 Equivalent stress nephogram of girder in working condition 4

表2 主梁有限元分析结果Tab.2 Finite element analysis results of girder

分析结果表明：1）最大应力出现在工况2，即小车位于主梁全长1／4处；2）综合各工况应力云图，主梁两端变截面处为应力集中区域，且上下盖板与腹板连接处属应力值较大区域，这些区域易在起重机实际使用过程中产生疲劳破坏，应在后续检测中设置应变片检测点。

5 结 语

基于ANSYS Workbench对50／10t桥式起重机主梁进行有限元分析，得到了该桥式起重机主梁理论应力集中区域，为检测主梁真实受力情况、预算主梁剩余使用寿命提供了重要的理论依据，对于实际生产中提高起重机械使用寿命，避免起重机提前退役造成资源浪费，防止起重机超寿命危险服役，保障人身、财产安全，防范生产事故发生具有重要意义。

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