门座起重机钢结构有限元仿真计算

苏 芳，孙艳秀，聂文杰，张俊娜

（太重（天津）滨海重型机械有限公司，天津 300452）

［关键字］门座起重机；钢结构；有限元；仿真计算

门座起重机属于臂架型起重机，其钢结构是机器的主要部分，是整机的骨架，承担着机械设备的各种载荷和自重。因此，钢结构必须满足一定的强度、刚度、稳定性要求，才能保证机器正常使用。本文使用有限元软件ANSYS对D4085门座起重机钢结构进行了仿真分析，并计算校核了各工况下的强度。

1 有限元模型的建立

1.1 结构件建模

D4085门座起重机钢结构由臂架系统、转台、转柱、人字架及门架组成。臂架系统在建立有限元模型时分为3部分：桁架结构单臂架、柔性拉索钢丝绳和臂架上滑轮组。桁架结构单臂架采用BEAM188单元（TIMOSHENKO梁，3D有限应变，计入剪切变形影响，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模；柔性拉索钢丝绳采用LINK180单元（3D有限应变杆，节点自由度UX/UY/UZ）建模；臂架上的滑轮组采用MASS21单元（点单元，自由度UX/UY/UZ/ROTX/ROTY/ROTZ）建模。需要注意的是，本计算中使用的LINK180单元和MASS21单元的功能是模拟钢丝绳和滑轮组对起重机钢结构施加的载荷，其自身强度结果不在有限元计算中体现，所以臂架系统钢结构有限元计算只列出桁架结构单臂架（以下简称臂架）结果。转台、转柱、人字架及门架等为较规则的箱形梁或圆管结构，采用BEAM188单元建模。

1.2 整机钢结构建模

各主要结构件模型完成以后，需要组装成门座起重机的整机钢结构。首先定义总体坐标系，然后根据各结构件的相对位置关系分别定义局部坐标系，把各结构件模型放在各局部坐标系下生成整体模型。

根据门座起重机的结构形式，总体坐标和局部坐标均使用直角坐标系。设整体坐标系原点的水平位置位于门架轨距、基距中心，高度零点位于大车轨道平面。门架的建模可直接在总体坐标系下进行，转台、转柱、人字架建模分别在局部坐标系下进行。组装到总体坐标系时只需把工作平面移到相应的关键点，即在各结构件建模前加以下命令（X1、Y1、Z1为局部坐标系原点在总体坐标系下的坐标）：

D4085门座起重机的变幅幅度在25～80m之间。幅度25～45m时，最大起重量40t；幅度45～80m时，起重量5t。需要建立3个幅度的臂架模型分别加载计算，幅度25m、45m和80m对应的臂架角度分别为76°、61.5°和26°。臂架长度方向与局部直角坐标系的坐标轴不平行，建模时对应的局部坐标系除了平移外还需要旋转角度。定义臂架长度方向为X轴，则局部坐标系需旋转X轴使其同臂架长度方向保持一致。幅度25m时臂架建模前加以下命令：

*AFUN，DEG！定义单位为角度

WPROTA，76！X轴旋转76°

CSYS，4

同理可得到另外2个角度的臂架模型。依次运行所有结构件命令流，得出各幅度下整机有限元模型。

2 载荷及工况

2.1 载荷

结构自重载荷SG：臂架、转台（除配重外）、转柱、人字架、门架及其附属结构自重为均布载荷，输入密度并施加重力加速度由软件自动计算；转台配重可视为集中载荷，直接加载于相应节点。

(3)Stable rotating detonation combustion could also be initialized and sustained in a combustor with a nozzle,which signals a bright future for the application of rotating detonation to satellite orbit-control thrusters.

移动载荷SL：包含吊具系统重量4t及额定起重量。

大车加减速引起的水平载荷SH1：可以在有限元模型上施加相应方向的线加速度来实现。大车加速度根据技术规格书取0.05m/s2。

回转机构制动引起的水平载荷SH2：可以在有限元模型上施加相应的角加速度来实现。回转加速度根据技术规格书取0.0007rad/s2。

风载荷SW：根据每个起重机各结构件的迎风面积及风力系数来计算风载，然后均匀加在每个构件的相应节点上。

起升冲击系数取1.1。

起升动载系数φ2根据计算，代入各参数可得φ2=1.3。

2.2 工况

（1）工况1——无风工作；

（3）工况3——极限风荷载情况。

这3类工况需在25m、45m、80m 3个幅度下分别计算。

3 求解与结果分析

3.1 幅度25m

工况1——无风工作计算结果：整机最大应力为204MPa，出现在臂架中段，靠近臂架头部的桁架弦杆上（见图1和图2）。

图1 幅度25m-工况1整体应力云图

图2 幅度25m-工况1最大应力附近应力云图

工况2——带风工作计算结果：整机最大应力为211MPa，出现在与臂架头部箱形钢结构连接的臂架桁架弦杆上（见图3和图4）。

图3 幅度25m-工况2整体应力云图

图4 幅度25m-工况2最大应力附近应力云图

工况3——极限风荷载计算结果：整机最大应力为112MPa，出现在臂架桁架变截面处的弦杆上（见图5和图6）。

图5 幅度25m-工况3整体应力云图

图6 幅度25m-工况3最大应力附近应力云图

3.2 幅度45m

工况1——无风工作计算结果：整机最大应力为220MPa，出现在臂架中段弦杆上（见图7和图8）。

图7 幅度45m-工况1整体应力云图

图8 幅度45m-工况1最大应力附近应力云图

工况2——带风工作计算结果：整机最大应力为233MPa，出现在臂架中段弦杆上（见图9和图10）。

图9 幅度45m-工况2整体应力云图

工况3——极限风荷载计算结果：整机最大应力为129MPa，出现在臂架桁架变截面处的弦杆上（见图11和图12）。

图10 幅度45m-工况2最大应力附近应力云图

图11 幅度45m-工况3整体应力云图

图12 幅度45m-工况3最大应力附近应力云图

3.3 幅度80m

工况1——无风工作计算结果：整机最大应力为224MPa，出现在转盘主梁上盖板（见图13和图14）。

工况2——带风工作计算结果：整机最大应力为235MPa，出现在转盘主梁上盖板（见图15和图16）。

图13 幅度80m-工况1整体应力云图

图14 幅度80m-工况1最大应力附近应力云图

图15 幅度80m-工况2整体应力云图

工况3——极限风荷载计算结果：整机最大应力为186MPa，出现在臂架中段弦杆上（见图17和图18）。

此门座起重机主结构使用的材料为Q345。工况1许用应力232MPa；工况2许用应力256MPa；工况3许用应力282MPa。由以上计算结果可知，钢结构满足强度要求。

图16 幅度80m-工况2最大应力附近应力云图

图17 幅度80m-工况3整体应力云图

图18 幅度80m-工况3最大应力附近应力云图

3.4 起重机各结构件最大应力

除各工况下最大应力外，钢结构计算还应关注各构件最大应力及应力分布情况。限于篇幅，只列出各构件最大应力，见表1。

表1 不同幅度工况下各结构件最大应力 单位：MPa

从计算结果可知，起重机在工作幅度较小（25～45m）时，臂架应力较高；在工作幅度较大（45～80m）时，转盘应力较高。门架及人字架在各工况下应力均有较大盈余。在保证结构强度及稳定性情况下可适当减少材料用量，优化结构，以降低成本。

4 结束语

对D4085门座起重机整体钢结构进行有限元建模，加载并求解有限元模型得出各工况下的结构应力，证明钢结构设计满足要求。本仿真计算研究也为结构优化设计提供了参考。