有限元分析在桥式起重机主梁局部稳定性校核中的应用*

何山 黄国健 陈敏

有限元分析在桥式起重机主梁局部稳定性校核中的应用*

何山 黄国健 陈敏

（广州特种机电设备检测研究院）

局部稳定性是桥式起重机结构承载能力的重要参数，在设计环节需要进行局部稳定性校核。主梁局部稳定性计算方法在GB3811—2008起重机设计规范中有详细规定，但其计算公式需已知主梁腹板边缘的应力大小；采用传统计算方法较为复杂耗时，一般需要2 d~3 d，且常由于计算模型简化较大，导致计算精度不高。采用有限元分析能获取结构的应力分布云图，并从有限元分析结果中直接提取应力值进行主梁局部稳定性校核，整个过程可在0.5 d内完成，且提高了计算精度。

桥式起重机；有限元；局部稳定性

0 引言

随着计算机辅助设计的广泛应用，目前起重机械金属结构设计大都采用有限元分析[1-3]。提高主梁局部稳定性的措施一般是增加加强筋或横隔板[4]，具体增加的数量或间隔需要通过局部稳定性校核确定。加强筋或横隔板计算不准确可能导致大量的材料浪费，因此提高其计算精度具有较高的经济效益。有限元软件提供了针对局部稳定性的线性屈曲或非线性屈曲功能[5]，但其计算结果尚无相关标准参照，缺乏依据。有研究表明有限元计算方法比传统计算方法具有更高的精度[6-8]。本文通过有限元分析提取局部应力，较采用传统计算方法校核局部稳定性，提高了计算精度，且计算过程符合现行国家标准。

1　起重机主要技术参数

本文以QD150-50桥式起重机为例进行局部稳定性校核，其主要技术参数如表1所示。

2　载荷与工况

2.1　载荷与载荷系数

为安全起见，将主钩和副钩起升动载系数适当放大，取1.15。

表1　主要技术参数

2.1.3 结构自重G

2.1.4 小车自重

将小车与小车轨道的接触简化为4个点，小车自重以载荷的形式施加在这4个点上。小车自重为，则施加在4点的平均载荷为/4。

图1　小车载荷示意图

2.1.5 额定载荷

小车额定载荷和小车自重一样，以载荷的形式施加在小车与小车轨道的接触处。计算时，额定载荷包括吊钩质量，其中主钩0=5.1 t，副钩0=1.354 t。

2.1.6 小车起制动产生的水平惯性载荷

2.1.7 大车起制动产生的水平惯性载荷

1）大车起制动时，满载小车产生的水平惯性载荷

2）大车制动时，桥架产生的水平惯性载荷

2.1.8 大车歪斜运行时水平侧向力

2.2　载荷组合与工况

根据GB3811—2008起重机设计规范中的规定，需对5种工况下主梁的强度与稳定性进行校核：1）小车位于主梁中间位置，起升最大载荷，考虑起升冲击系数、起升动载系数、结构自重和大车起制动产生的水平惯性载荷；2）小车位于跨端极限位置，起升最大载荷，考虑起升冲击系数、起升动载系数、结构自重和大车歪斜运行时水平侧向力；3）仅用于校核结构下挠度，不考虑小车以外起重机部分的重力，小车位于中间位置，起升最大载荷；4）校核主钩满载时小车金属结构，起升最大载荷，考虑起升冲击系数、起升动载系数、小车自重和水平惯性载荷；5）校核副钩满载时小车金属结构，起升最大载荷，考虑起升冲击系数、起升动载系数、小车自重和水平惯性载荷。

工况1）情况下，主梁出现最大应力，进行局部稳定性校核时应取工况1）的有限元结果进行计算。

3　有限元模型与强度校核

根据主梁的结构特点，选择Shell63单元作为主要建模单元。建模步骤：1）基于Solidworks平台建立以面为基础的结构；2）将Solidworks文件另存为IGES格式，导入Hypermesh前处理模块，进行面的分割与联结；给面赋予板厚和单元属性，完成有限元单元生成；3）从Hypermesh导出cdb格式文件至Ansys软件进行有限元分析。有限元模型如图2、图3所示。

图2　整机有限元模型

图3　主梁端部倒角处局部板厚

工况1）有限元分析结果如图4、图5所示。图4位移变形图显示主梁中部发生最大位移变化为

图5　整机应力云图

4　主梁局部稳定性校核

根据结构特点，需要对主梁上盖板和两侧腹板进行局部稳定性校核，主梁跨中截面如图6所示。

图6　主梁跨中截面简图

局部稳定性校核涉及的参数符号如表2所示。

表2　参数符号的含义

以上盖板局部稳定性校核为例进行说明，提取有限元分析结果，上盖板应力分布如图7所示。

图7　上盖板应力分布图

局部稳定性计算过程如下：

5　结论

本文对桥式起重机金属结构进行有限元分析，从有限元分析结果中直接提取应力值进行主梁局部稳定性校核，将校核时间由2~3个工作日减少为0.5个工作日，提高了计算效率，且精度更高。

[1] 黄灵峰,侯振宁,田洪根,等.基于有限元法的桥式起重机主梁结构分析与优化[J].中国仪器仪表,2018(3):48-51.

[2] 吴永明,于兰峰,程兵,等.起重机箱形梁波纹腹板的非线性屈曲分析[J].起重运输机械,2017(3):35-38.

[3] 王占涛,马亮亮.桥式起重机翼缘板屈曲分析[J].建筑机械,2017(7):101-104.

[4] 潘俊萍.桥式起重机主梁局部稳定性分析[J].起重运输机械,2013(12):67-70.

[5] 徐兴伟,胡晓兵,武韶敏,等.45 t轻量化门式起重机的优化及局部屈曲研究[J].起重运输机械,2016(6):67-71.

[6] Zhang Lufan, Ma Bing, Wu Jun, et al. Finite Element Analysis of Main Girder in Bridge Crane Considering Thermal-mechanical Coupling Deformation[C]. Proceedings of the 2018 3rd Joint International Information Technology，Mechanical and Electronic Engineering Conference (JIMEC 2018),2018.

[7] Jiang Yefeng. Analysis on the Rail Gnawing Force of Bridge Cranes——A Study Based on Finite Element Technology[C]. Proceedings of 2018 2nd International Conference on Systems, Computing and Applications(SYSTCA 2018),2018.

[8] He Yibin, Zhang Yu, Yang Bingkuan, et al. Finite Element Analysis in Dynamic Conditions of Bridge Crane Beam[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 331:70-73.

Application of Finite Element Analysis in Local Stability Check of Main Girder of Bridge Crane

He Shan Huang Guojian Chen Min

(Guangzhou Academy of Special Equipment Inspection & Testing)

Local stability is an important parameter of bearing capacity of bridge crane structure. The calculation method for the local stability of the main beam is specified in detail in GB3811—2008, but the calculation formula needs to know the stress magnitude of the web edge of the main beam. The traditional calculation method is complicated and time-consuming, which generally requires 2-3 working days, and is not accurate. The finite element analysis can obtain the stress distribution cloud map of the structure, and the direct extraction of the stress value from the finite element analysis results for the local stability check of the main beam can be completed within half a working day, and the calculation accuracy is improved.

Bridge Crane; Finite Element; Local Stability

何山，男，1987年生，硕士学位，工程师。主要研究方向：起重机械金属结构安全性评价技术研究。Email: heshan321@163.com

广东省质量技术监督局科技计划项目（2018CT32）；广州市质量技术监督局科技项目（2018KJ10）。