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基于SOLIDWORKS的门座起重机门架结构有限元分析

2016-10-21 10:47| 发布者: duanlailai| 查看: 3660| 评论: 4|原作者: 沈阳瑞新实维

摘要: 门座起重机典型的门架结构呈板凳状,由圆筒体、箱形结构的主梁和端梁组成。圆筒体上部的筒体法兰与回转支承连接,承受整机旋转部分的自重和外载荷。门架的端梁连接4套行走机构,在轨道上行走。 利用有限元分析方 ...
       门座起重机典型的门架结构呈板凳状,由圆筒体、箱形结构的主梁和端梁组成。圆筒体上部的筒体法兰与回转支承连接,承受整机旋转部分的自重和外载荷。门架的端梁连接4套行走机构,在轨道上行走。
       利用有限元分析方法建立门架的有限元模型,按实际载荷分布进行加载、求解,能够获得实际的承载状况。本文对用经典ANSYS分析门架结构的方法、加载方式等进行了研究,对复杂的建模作了一定的简化。随着大型3d软件的普及,现代起重机多采用3D设计,将3D模型直接导入到有限元软件中进行结构分析是一种未来趋势。
       1、计算模型
        根据门座起重机的受载特点,运用SOLIDWORKS软件建立实际模型,导入大型有限元分析软件ANSYS Workbench中,选择3种工况对门架结构进行静力学分析,分析结构的应力分布及变形规律,对门架结构进行合理评价,提出相关建议。
       1.1 相关参数
       某造船用单臂架门座起重机的额定起重量为260t,最大额定起重力矩为5200tm,整机工作级别为A5,轨距12m、基距15m,最大轮压35t,工作状态计算风压250Pa,非工作状态计算风压600Pa。
       门架结构由2根端梁和主梁连接成工字形箱形结构,再与筒体共同组成门架,承受上部结构的所有质量、吊重、风力和机构运动时引起的惯性力以及由上述载荷引起的力矩。这种门架的风阻力小、自重轻,适用于狭窄的场所。门架结构简图如图1所示。
图1 门架结构简图
       门架结构材料为Q345B,密度为7.85×103kg/m3,常温下屈服强度为345MPa,定义弹性模量为2.06×105MPa,泊松比为0.3。
       1.2 计算工况
       选取起重机最不利的运行工况,分析起重机在相应工况额定荷载作用下的应力、位移分布规律。在不同工况下,起重臂与起重机运行轨道的夹角是变化的,并影响到作用于圆筒上的弯矩,对门架结构的受力状态有明显的影响,选取其中3种最典型的工况状态分别进行计算分析。工况示意图如图2所示。
图2 起重机工况示意图
      工况1:起重臂平行于轨道,即φ=90°。
      工况2:起重臂垂直于AC连线,即φ=arctanl/B=38.66°。
      工况3:起重臂垂直于轨道,即φ=0°。
       2、有限元模型
       2.1 边界条件
       起重机在工作过程中是以2根端梁与行走机构平衡梁的连接支座作为支承点,按其工作时状态,将2根端梁同一侧的支座作为固定约束,6个自由度全约束,将另一侧的支座作为允许沿轨道方向移动的空间活动约束,即约束5个自由度。
       2.2 施加载荷
       门架结构受到的载荷有自重G、风载荷Fw、上部结构产生的垂直载荷N以及扭矩Mn、工作负荷产生的弯矩M和水平力F。ANSYS Workbench可选取面直接加载。
       2.3 划分网格
       门架为一框架结构,用三维实体单元来描述门架结构,更能反映其实际状况。在ANSYS Workbench软件中,三维实体单元有六面体单元和四面体单元等2种。由于六面体单元在划分时要求结构比较规则,对门架结构进行六面体网格的自动划分十分困难,而用四面体单元分析三维结构,单元划分比较灵活,可以更近似于复杂的几何形状。门架结构模型网格如图3所示。
图3 门架结构模型
       3、结果分析及结构改进
       工况1门架的静力学有限元分析结果图见图4。工况2、工况3相对于工况1的主要区别是起重臂与起重机运行轨道夹角的不同,在对模型进行加载时表现为圆筒表面所受弯矩方向的不同,这2种工况下的有限元分析结果不再列出。
2.jpg
图4 门架结构工况1应力及变形云图
       从应力云图可以看出,高应力区主要集中在圆筒与主梁、主梁与端梁的结合处。不计局部应力集中的影响,工况1、工况2、工况3的最大合成应力分别为228.7MPa、219.5MPa、206.5MPa,均小于许用应力242.5MPa;最大挠度出现在主梁的中部,3种工况下最大挠度分别为1.07mm、0.95mm、0.79mm,均小于挠度许用值6mm(l/2000)。所以,门架结构强度及刚度均满足要求。
       同时还应注意到,主梁与端梁连接处,由于刚度出现突变,应力分布不均匀,在连接处增加筋板,便可改善应力分布。加筋方案及工况1计算结果如图5所示。
图5 门架结构局部加筋及应力云图
      从图5的应力云图可以看出,整个门架的应力分布趋于均匀,且相同位置的应力均有所减小,其中主梁腹板的最大应力由228.7MPa减小为206.9MPa,端梁上盖板与主梁翼板连接处局部应力由279.2MPa减小为194.4MPa,加筋效果明显。
      4、结束语
      本文利用SOLIDWORKS建立门架结构三维模型并导入有限元软件ANSYS Workbench中,选择3种工况对门架结构进行分析,得到了门架结构的最大应力和最大挠度,及其应力和位移分布规律。分析的结果可以非常直观地反映部件的受力情况、薄弱部位等信息,可以作为确定板厚及需加强部位的依据,有助于的材料的合理选用,为门座起重机新产品的开发和现有产品的结构改进提供依据。



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最新评论

引用 沈阳瑞新实维 2016-7-18 09:02
顶!
引用 yunpeng0928 2016-7-18 10:23
顶一个
引用 ziqing1991 2017-1-21 18:36
顶。。。。。。
引用 qq1606738880 2017-3-21 18:28
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