基于Ansys的起重机试验吊笼分析*

作者：于万成摘 要：在分析试验吊笼受载情况的基础上，用Solidworks 软件建立了试验吊笼的三维模型，采用有限元分析软件Ansys Workbench 对其进行分析，通过分析计算可以显示出试验吊笼的应力及应变情况，最大应力值和位移值。结果表明，吊笼的强度和刚度均满足要求。0 引言根据GB/T 5905 － 2011《起重机试验规范和程序》第3.2 条规定：起重机在出厂交付使用前，制造商应对其进行试验和检验。对于在使用地点进行安装或总装的起重机，也应在投入使用前进行试验和检验[1]。标准规定的试验和检验包括起重机性能的合格试验和检验、目测检验和起升载荷试验等3 种类型。起升载荷试验主要包括静载试验和动载试验，静载试验的目的是检验起重机以及各结构件的承载能力，每个起升机构的静载试验应分别进行，静载试验的载荷为1.25 G n[1]。对于桥式起重机，G n 为起重机的额定起重量。静载试验的目的是检验起重机以及各结构件的承载能力，同时对试验所用的试验吊笼也是一个苛刻的考验。根据GB/T 22415 － 2008《起重机对试验载荷的要求》，试验载荷可以是单个单元或是由几部分组成。有些起重机的额定起重量非常大，采用单个单元的试验载荷很难实现，且试验载荷为逐渐加载，故只能采用由几个已知质量的部分来组成试验载荷，试验吊笼加试重块作为试验载荷就是常用的方法[2]。1 基本情况该试验吊笼用于国内某水电站，用户要求吊笼中间分节能单独服务于500 t 桥式起重机，组成整体后利用中间的吊点服务于1 300 t 桥式起重机，利用外侧的两个吊点服务于2×320 t 门式起重机，使用情况较复杂。这不仅是对起重机金属结构的一个考验，同样对试验吊笼也是一个严苛的考验。为了满足用户的使用要求，试验吊笼分为3 节，采用箱形梁为主体框架，结合平台形成平面整体的结构形式。同时，根据试验载荷布置形式组装成型后的箱形吊笼尺寸不大于：14 700 mm×8 700mm×3 100 mm（长× 宽× 高），分节允许最大外形尺寸不大于：8 700 mm×4 900 mm×3 100 mm（长×宽× 高），吊笼节与节之间采用高强度螺栓连接，吊笼的3 个吊点处均设置移轴装置，使销轴可方便地穿过桥、门式起重机的吊具并可靠的固定。本文仅介绍1300 t 桥式起重机在最大试验载荷状态下试验吊笼的有限元分析情况。由于该试验吊笼使用工况较多，结构形式较复杂，承载亦较大，采用常规的计算方法较难计算清楚吊笼箱梁各截面所受应力以及变形的大小。而常规设计时仅采用类比法进行设计，致使设计人员只考虑结构的可行性方案，很难确定吊笼的薄弱之处，以及所关心部位的应力和变形等具体数值大小，会造成产品不合格或材料浪费的情况。因此，本研究采用三维软件SolidWorks对试验吊笼进行三维建模，利用有限元软件AnsysWorkbench 进行分析计算，得出吊笼的应力和应变云图，并对吊笼的结构进行分析、优化。2 模型的建立如图1 所示，试验吊笼由主梁、边梁、连接梁、平台、移轴装置等部件组成，其中主梁、边梁、连接梁由上下翼缘板和左右腹板焊接而成的箱形梁组成，平台由钢板焊接成的工字梁组成, 试验吊笼各梁截面基本参数如表1 所示。1. 主梁 2. 边梁1 3. 边梁2 4. 连结梁1 5. 连结梁26. 连结梁3 7. 连结梁4 8. 连结梁5图1 试验吊笼的结构简图对试验吊笼进行建模时，简化了一些无关紧要的部件和特征，如移轴装置、高强螺栓孔、倒角、圆角以及边棱角等。同时，认为各焊接件本身无缺陷，焊接牢固，无虚焊、漏焊、松脱等现象，焊接后残余应力不足以影响分析结果。将各焊接件部件视为一个整体，其分析模型如图2 所示。图2 试验吊笼的三维模型有限元模型采用SmoothTransition 单元来划分其网格，共生成节点数716 721，单元数94 020，试验吊笼的网格划分情况如图3 所示。图3 试验吊笼的网格划分1）材料特性 试验吊笼主要受力件材料为Q345B，材料的弹性模量E ＝ 209 GPa，泊松比μ ＝ 0.269，密度ρ ＝ 7 850 kg/m3，抗拉强度σb ＝ 470 MPa，屈服强度σs＝ 275 MPa。2）约束 在连接铰轴处的平面施加约束条件，各平面加载相应的载荷以及试验吊笼的自重载荷力作用。3）载荷的施加 ①试重块分为5 t 和10 t 两种规格，5 t 试重块外形尺寸为：1 606 mm×1 006 mm×495 mm，10 t 试重块外形尺寸为：1 607 mm×1 007 mm×965 mm。②试重块在试验吊笼上堆放三层，试重块的放置数量及排布如表2 所示。吊笼自重约225 t，试重块加上吊笼自重，总质量约为4×5 t ＋ 138×10 t ＋ 225 t ＝ 1 625 t。每层试重块布置如图4 所示，试重块布置仅供参考，可根据实际情况适当调整试重块数量与位置，使吊笼自重加上试重块总重约为1 625 t，但务必使试重块的摆放尽可能对称布置，以防出现试重块不平衡现象。由于梁接头处的螺栓头高出吊笼平面，放试重块时可适当垫板找平。图4 试重块布置图按载荷的近似分布情况进行力的施加，载荷分布情况如图5 所示。图5 载荷分布情况3 分析结果图6 为等效应力分布云图，从图中可以看出，排除轴孔下方加强板因约束导致应力集中情况外，吊笼中部轴孔处应力较大，最大值为84.878 MPa；吊笼中部两端上表面应力较大，最大值为92.682 MPa，均小于材料许用应力值：275÷1.34 ＝ 205.2 MPa，满足要求[3]。图6 等效应力分布图7 为位移分布云图，从图中可以看出，吊笼位移值从中间向两端位置呈现递增趋势，最大位移值为3.52 mm。图7 位移分布4 结束语本文应用Ansys Workbench 软件对1 300 t 桥式起重机试验吊笼进行了有限元分析，能够直观、准确地得到试验吊笼任意位置的应力、应变分布规律。通过分析结果可知最大等效应力和最大位移分别小于其许用值，故该设计符合强度和刚度的设计要求，且有一定的安全调整空间，为进一步优化设计提供了有益的参考，具有一定的工程实际意义。目前，该试验吊笼已经运抵用户现场，经过用户精心组织、策划该吊笼目前已经完成多台起重机的静载试验，现场所测得的应力和变形值均能够满足设计要求。参考文献[1] GB/T5905 － 2011 起重机试验规范和程序[S].[2] GB/T22415 － 2008 起重机对试验载荷的要求[S].[3] GB/T 3811 － 2008 起重机设计规范[S].END举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章核环行起重机相似缩尺抗震实验模型设计*飞机牵引车车架的改进设计与有限元分析我市收看“菜篮子”产品保供稳价工作视频会议2020年德州新增市级以上科创平台132家，总量达1176家737 MAX将于月末在欧盟复飞 波音股价涨超3%

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