基于ansys的起重机卷筒特征值屈曲分析

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1、DESIGN&CALCULATION设计计算基于Ansys的起重机卷筒特征值屈曲分析舒俊，徐超（中铁工程机械研究设计院，湖北武汉430066）［摘要］以2000t起重机焊接卷筒设计为对象，采用Ansys对卷筒进行了特征值屈曲稳定性分析，结果表明采用传统公式设计偏于保守，为卷筒的结构优化设计提供了一种可靠的方法。［关键词］卷筒；特征值屈曲分析；优化设计［中图分类号］TH21［文献标识码］B［文章编号］1001-554X（2014）07-0065-03Eigenvaluebucklinganalysisofdru

2、moncranebasedonAnsysSHUJun，XUChao起重机卷筒壁厚大多是根据经验公式确定，卷筒筒壁最大应力即将基本壁厚取为所用钢丝绳的直径，对于大型卷σc=A1A2Smax/δt（1）筒而言，仍会出现计算时稳定性不足的状况。实践失稳临界压强证明，这种设计方法偏于保守，不仅增加了制造的33困难，还造成了材料的浪费，降低了卷筒的使用性Pw＝52500δ/R（2）能。因此有必要借助有限元分析软件对卷筒稳定卷筒壁压强性进行仿真分析，探讨卷筒壁厚优化设计的可靠P=2Smax/Dt（3）依据。稳定性系数1传

3、统方法计算卷筒稳定性K=Pw/P（4）港珠澳大桥2000t门式起重机小车卷筒设计为其中A1为绳圈绕入时对筒壁应力的影响系数，一般单层缠绕双联卷筒，卷筒表面加工有标准螺旋绳取A1=0.75；A2为与卷筒层数相关的系数，对单层槽。卷筒长度L=6200mm，名义直径D=2500mm，卷绕取1；δ为卷筒壁厚；R为卷筒绳槽底半径；D壁厚δ=44mm，绳槽节距t=49mm，单根钢丝绳拉为卷筒绳槽底直径；t为钢丝绳卷绕节距；Smax为钢力Smax=366.9kN。卷筒结构如图1所示。丝绳最大静拉力。6100由计算得知，卷筒

4、筒壁最大应力为127MPa，满足强度要求，且有较大的富余量。但稳定性系数K=0.38，远小于许用值（1.3～1.5）。如取稳定性25002410φφ系数为1.5进行计算，即Pw=1.5P，得δ=69mm。而253329003170φφ实际使用的卷筒壁厚为44mm，且使用正常。因此φ依据传统计算公式来计算卷筒壁厚偏于安全，也是不合理的。图12000t起重机卷筒结构图对于直径大于1200mm，长度大于2D的薄壁焊［收稿日期］2014-03-10接卷筒，需要进行稳定性验算。传统的卷筒应力和［通讯地址］舒俊，武汉市洪

5、山区徐东大街45号中铁工程稳定性计算公式如下：机械研究设计院CONSTRUCTIONMACHINERY2014.765设计计算DESIGN&CALCULATION2特征值屈曲分析原理在卷筒外表面施加径向压力。根据以上假设，建立卷筒有限元模型如图2特征值屈曲分析即结构弹性稳定分析，指结所示。构在外载荷作用下，在原平衡状态之外，出现了第二个平衡状态。是一个求解特征值的问题，故而被称为特征值屈曲分析。线性弹性力学中，采用下列2个基本假设：（1）材料的应力—位移关系是线性的，即假定材料符合虎克定律；（2）应变—位移关

6、系是线性的，即采用了小位移假定。基于此，结构屈曲的临界载荷可以表示为PCri=λi·PQ（5）式中PQ为作用载荷；λi为屈曲特征值或屈曲载荷图22000t起重机卷筒有限元模型因子。λi的计算方程为3.2卷筒应力计算（［KL］+λi［KG］）·{δ}=0（6）在特征值屈曲分析之前，首先对卷筒强度进行仿真分析。由式（3）可知，卷筒表面压强式中［KL］为结构总体弹性刚度矩阵，即小位移P=6MPa，将其视为卷筒所受径向压力，边界条件的线性刚度矩阵；［KG］为结构总体几何刚度矩处理时把卷筒一端固定约束，另一端作为简支，

7、计阵；{δ}为特征位移向量。算卷筒应力状态，如图3所示。线性屈曲有限元计算的实质就是计算整体结构在线性刚度基础上加上初始应力刚度影响后结构屈曲的最小临界载荷。利用Ansys进行特征值屈曲分析的步骤为（1）建立模型；（2）获得静力解；（3）获得特征值屈曲解；（4）展开解观察结果。虽然特征值屈曲分析方法未考虑结构非线性和初始缺陷的影响，但由于计算方法简单，并且是非线性屈曲分析计算结果的上限，因此被广泛采用，可靠性较好。3卷筒特征值屈曲分析图32000t起重机卷筒应力云图3.1有限元模型的建立由图3可以看出，卷筒应

8、力分布均匀，最大因绳槽截面较特殊，为了便于有限元计算，应力为126MPa，与计算结果基本一致，满足强度本文对卷筒进行了合理简化并作如下假设：要求。（1）卷筒为圆柱形，材料均质且各向同性；3.3卷筒屈曲稳定性分析（2）卷筒为厚度一致的薄板，厚度大小取卷屈曲一般发生在小于特征值屈曲分析得到的筒内表面到绳槽槽底的距离；临界载荷时。当施加的载荷为单位面积载荷时，所（3）同一绳圈中的张力为常数，压力均匀分求的