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1、第34卷第3期武汉科技大学学报Vol.34,No.32011年6月JournalofWuhanUniversityofScienceandTechnologyJun.2011基于ANSYS的桥式起重机桥架结构有限元分析杨金堂,周诗洋,李公法(武汉科技大学机械自动化学院,湖北武汉,430081)摘要:以某200t-20m冶金桥式起重机为对象,应用有限元分析软件ANSYS研究桥架的变形和应力分布状态,并与现场测试结果进行对比分析。结果表明,该起重机的最大挠度、静态VonMises等效应力和第1阶固有频率均符合起重机设计规范要求。关键词:桥式起重机;桥架;有限元分析
2、;静态特性;模态分析中图分类号:TH218文献标志码:A文章编号:1674-3644(2011)03-0219-04武钢股份有限公司条材总厂一炼钢分厂精炼#跨4200t-20m冶金桥式起重机是由原350t-20m脱锭起重机改造而成,已经使用了50多年。由于我国对起重机报废年限还没有强制性要求,该起重机已经超过了设计使用年限仍然还在使用,但其结构强度、疲劳强度、可靠性和安全性随着使用年限的增加而逐步降低,具有很大的安全隐患。为了确保安全生产,对起重机进行应力测试,确定其在实际工况下的应力分布状态十分必要。如果采用传统的力学计算方法对桥式起重机的桥架进行计算,往往
3、需要简化或估计相关参数,图1桥架平面结构示意图势必造成计算结果的不准确。为此,本文应用有限元分析软件ANSYS对桥架的静态特性和动态Fig.1Schematicdiagramofbridgestructure约束,在桥架司机室端的主梁与平衡台车连接处特性进行模拟,并与现场测试结果进行对比分析,(铰支座)分别施加x、y、z方向的约束(北铰接以期为该起重机的疲劳寿命预估提供参考。处)和y、z方向的约束(南铰接处),在非司机室1有限元计算模型端相同位置分别施加x、y方向的约束(北铰接[1-2]4#200t-20m冶金桥式起重机的桥架主要由处)和y方向的约束(南铰接处
4、)。由于施加约束的不一致,会使桥架北梁和南梁的有限元计算主梁、副主梁、端梁、副端梁和轨道等部分组成,属结果存在微小的差异。于正轨焊接箱形梁结构,箱梁内部有大小加强筋。在工作状态下,桥架受到自重和吊重的联合桥架平面结构如图1所示。作用,其中,桥架自重在给定重力加速度的条件下采用笛卡儿直角坐标系建立桥架的三维模可由ANSYS软件自动计算。桥架铅垂方向的吊型,坐标原点设在桥架跨中处,x轴垂直指向南主重载荷作用于轨道和车轮接触处,将轮压以集中梁,y轴沿铅垂方向向上,z轴垂直指向西端梁。[3]载荷的方式平均分配到接触处相应的节点上。分别采用弹性板单元(Shell63)和
5、三维实体单元考虑到桥架的实际受载情况及其结构力学特(Solid187)建立桥架的三维有限元模型,将司机性,确定两种有限元计算工况:¹计算工况1,满室和电气室等附属设备简化为集中质量单元载小车(200t额定载荷)位于桥架跨中位置;º计(Mass21)。采用简支梁的方式对桥架进行多点收稿日期:2011-01-21作者简介:杨金堂(1964-),男,武汉科技大学教授,博士.E-mail:yjintang@qq.com220武汉科技大学学报2011年第3期算工况2,空载小车位于桥架端部位置(司机室3有限元计算结果与分析端)。3.1静态特性2现场测试有限元计算结果如表2
6、所示。当满载小车位现场测试的项目主要有桥架结构的危险截面于桥架跨中位置时,排除约束条件所产生的局部应力水平和静挠度。测点贴片位置及编号见图应力集中影响,桥架跨中截面上的应力达到最大1。以空载小车位于桥架端部位置(司机室端)的值,此时,最大主应力R1为33.444MPa,位于北主工况作为现场测试的零点工况,将静态电阻应变梁的下盖板跨中部位;最小主应力R3为-36.364仪调零,同时用激光水准仪、磁力座和钢尺测试主MPa,位于北主梁的上盖板跨中部位。当空载小梁的上拱度。然后使满载小车(200t额定载荷)车位于桥架端部位置时,最大主应力R1为5.672位于桥架跨中位
7、置,测试此工况下桥架跨中位置MPa,位于北主梁端部的下盖板处;最小主应力的应力和主梁的上拱度,主梁的两次上拱度值之R3为-6.105MPa,位于北主梁的上盖板跨中部差即为主梁的静挠度。现场测试结果如表1所位。满载小车位于桥架跨中位置时,桥架的Von示。Mises等效应力分布云图如图2所示,桥架铅垂表1现场测试结果方向变形云图如图3所示。Table1Measuredresultsinthefield对比表1和表2可见,有限元计算结果与现测点编号静挠度/mm应力/MPa场实测结果较为接近,表明建立的有限元模型比1#4.5-35.8较合理。从表2中可知,当满载小车位
8、于桥架跨2#5-33.7中位置时,主梁
