基于ANSYS的门式起重机有限元分析及结构优化

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1、基于QN;H;的门式起重机有限元分析及结构优化陈世教，夏!铝，杨!旭，薛志武（重庆大学!机械工程学院!重庆!!###!!）!摘要"!利用M?:6:有限元软件研究某门式起重机在不同工况下整体结构的变形和应力分布情况!以判断起重机的整体结构是否合理!是否达到刚度及强度要求!并在此基础上进行结构的优化!得到结构整个杆件的合理尺寸!减轻了结构的重量!降低了成本"!关键词"!M?:6:有限元分析#门式起重机#结构优化!中图分类号"&=$".(%!!!文献标识码"*!!!文章编号""##"+%%!,#$#""$#"+#"#%+#!K,),2""/"+")2$)

2、$/<#,#$)-#2%0&20%"(12,+0+(.1(%2$/&%$)"F$#"-()QN;H;<=>?:;0+d097!,5M4T!6M?c,8!,’>P;0+Q8门式起重机的金属结构重量通常占到其整机重465!有限元模型单元的选择量的)#h以上!其金属机构的设计及力学性能对该门式起重机的金属结构属于对称结构!根据门式起重机的工作有至关重要的影响"本文以某门其结构型式及载荷特点!进行整体空间立体分析"式起重机为研究对象进行有限元分析及结构优化"针对该桁架结构中有主梁上&下弦杆及支腿上&下横梁等多种非标准型材截面!需要自定义截面形式!因此选用b

3、H9D"NN单元"*H9D"NN单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构!该单元基于铁木辛哥梁结构理论!并考虑了剪切变形的影响"*H9D"NN是三维线性’$节点(或者二次梁单元!每个节点有)个或者-个自由度!自由度的个数取决于_>6OC&’"(的值"当_>6OC&’"(F#’缺省(时!每个节点有)个自由度$节点坐标系2&L&a方向的平动和绕2&L&a轴的转动#当_>6OC&’"(F"时!每个节点有-个自由度!引入了第-个自由度即横截面的翘曲"这个单元非常适合线性&大角度转动和非线性大应变问题"对门式起重图4!门式起重机示意图机结构模型进行单元划分后共

4、得到$%)"个4!门式起重机有限元模型的建立bH9D"NN单元"464!主要性能参数5!结构静强度分析该机的主要结构参数如下$跨度)"(%D!起升高度-%D!主起升机构额定起重量"$#V!副起升564!载荷处理和工况选择作用在该门式起重机上的载荷主要有$起重机机构额定起重量.#V!工作风压"%#C9!主起升速金属结构的自重!大&小车运行制动产生的惯性载度#(.!!(%D%D01!小车运行速度#(!!"#D%D01!大车运行速度#()!"%D%D01"门式起重机!!收稿日期"$#"#E#NE.#整体结构示意图如图"所示"!通讯地址"夏铝，重庆市重庆大

5、学机械工程学院七教%#"室!"##$"#（上）’!&"荷!起升"下降制动的惯性载荷!风载!小车自重只列出工况"下的起重机金属结构位移和应力云及额定起重量!其它设备如电梯"操作室的自重图!如图$".所示#等#对加强筋等的重量则通过调整材料的密度因子使之符合设计图纸中的结构重量#约束处理为$支腿一侧作为刚性固定处理!另一侧约束%个自由度!车轮沿轨道方向移动自由度不约束#对该起重机按照第二类载荷组合!即起重机正常工作条件下的最大载荷进行强度计算#结构主要部件均采用j.!%<钢!按第二类载荷组合计算时!安全系数取"(.!!则j.!%<钢的许用应力为$%-B

6、C9#该起重机有关计算参数如下$小车自重)"%"#[3%图5!工况4应力分布图结构总重%#%@N#[3%起升冲击系数,"F"("$%起升动载系数,$F"("%小车运行加速度9&S$%2IF#(#$D大车运行加速度9&S$#ZIF#(#$.D该起重机计算载荷按照载荷组合分为以下%种工况$计算工况"$小车位于跨中点!起升满载下降’启动(制动!大车制动!风载方向与大车制动惯性力方向相同且垂直于主梁#计算工况$$小车位于安装有载人升降机一侧距支腿最小安全距离左侧点!小车满载制动!大车图7!工况4位移分布图制动!风载方向与小车制动惯性力方向相同且平行表4!9

7、种工况下的位移和应力结果于主梁#计算工况.$小车位于右极限位置’没有安装工况工况"工况$工况.工况!工况%有载人升降机一侧(!小车满载制动!大车制动!位移&DD"N$(!".)("".N(%").(!")%(%风载方向与小车制动惯性力方向相同且平行于主应力&BC9")!(-"-!()".@($".)(@$)"(N梁#计算工况!$起重机为非工作状态!小车空载由表"可看出!前!个工况整个结构的最大应位于跨中!大车固定于轨道上!""级风!风载方力值为"-!()BC9!小于材料的许用应力%工况%向垂直于主梁#结构产生最大应力为$)"(NBC9!大于材料的许

8、用计算工况%$起重机为非工作状态!小车空载应力!位置为主梁斜腹杆!结构静强度不能满足要位于跨中!大车固定于轨道上!""级风