基于Solidworks的門座起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)有限元分析

2016-11-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

利用Solidworks軟件建立門座起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)模型,導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中進(jìn)行各工況分析,充分考慮了代表門座起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)實(shí)際極限承載狀況的多種載荷組合,得到了較為準(zhǔn)確的應(yīng)力及位移分布規(guī)律,還發(fā)現(xiàn)了應(yīng)力集中部位所在,對(duì)剛度突變部位進(jìn)行加筋設(shè)計(jì),效果良好,為門座起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

門座起重機(jī)典型的門架結(jié)構(gòu)呈板凳狀,由圓筒體、箱形結(jié)構(gòu)的主梁和端梁組成。圓筒體上部的筒體法蘭與回轉(zhuǎn)支承連接,承受整機(jī)旋轉(zhuǎn)部分的自重和外載荷。門架的端梁連接4套行走機(jī)構(gòu),在軌道上行走。利用有限元分析方法建立門架的有限元模型,按實(shí)際載荷分布進(jìn)行加載、求解,能夠獲得實(shí)際的承載狀況。對(duì)用經(jīng)典ANSYS分析門架結(jié)構(gòu)的方法、加載方式等進(jìn)行了研究,但建模復(fù)雜且作了一定的簡(jiǎn)化。隨著大型3D軟件的普及,現(xiàn)代起重機(jī)多采用3D設(shè)計(jì),將3D模型直接導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析是一種趨勢(shì)。1 計(jì)算模型根據(jù)門座起重機(jī)的受載特點(diǎn),運(yùn)用SolidWorks軟件建立實(shí)際模型,導(dǎo)入大型有限元分析軟件ANSYS Workbench中,選擇3種工況對(duì)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布及變形規(guī)律,對(duì)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理評(píng)價(jià),提出相關(guān)建議。1.1 相關(guān)參數(shù)某造船用單臂架門座起重機(jī)的額定起重量為260t,最大額定起重力矩為5200tm,整機(jī)工作級(jí)別為A5,軌距12m、基距15m,最大輪壓35t,工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓250Pa,非工作狀態(tài)計(jì)算風(fēng)壓600Pa。門架結(jié)構(gòu)由2根端梁和主梁連接成工字形箱形結(jié)構(gòu),再與筒體共同組成門架,承受上部結(jié)構(gòu)的所有質(zhì)量、吊重、風(fēng)力和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的慣性力以及由上述載荷引起的力矩。這種門架的風(fēng)阻力小、自重輕,適用于狹窄的場(chǎng)所。門架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。
門架結(jié)構(gòu)材料為Q345B,密度為7.85×103kg/m3,常溫下屈服強(qiáng)度為345MPa,定義彈性模量為2.06×105MPa,泊松比為0.3。1.2 計(jì)算工況選取起重機(jī)最不利的運(yùn)行工況,分析起重機(jī)在相應(yīng)工況額定荷載作用下的應(yīng)力、位移分布規(guī)律。在不同工況下,起重臂與起重機(jī)運(yùn)行軌道的夾角是變化的,并影響到作用于圓筒上的彎矩,對(duì)門架結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有明顯的影響,選取其中3種最典型的工況狀態(tài)分別進(jìn)行計(jì)算分析。工況示意圖如圖2所示。
工況1:起重臂平行于軌道,即φ=90°。工況2:起重臂垂直于AC連線,即φ=arctanl/B=38.66°。工況3:起重臂垂直于軌道,即φ=0°。2 有限元模型2.1 邊界條件起重機(jī)在工作過程中是以2根端梁與行走機(jī)構(gòu)平衡梁的連接支座作為支承點(diǎn),按其工作時(shí)狀態(tài),將2根端梁同一側(cè)的支座作為固定約束,6個(gè)自由度全約束,將另一側(cè)的支座作為允許沿軌道方向移動(dòng)的空間活動(dòng)約束,即約束5個(gè)自由度。2.2 施加載荷門架結(jié)構(gòu)受到的載荷有自重G、風(fēng)載荷Fw、上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的垂直載荷N以及扭矩Mn、工作負(fù)荷產(chǎn)生的彎矩M和水平力F。ANSYS Workbench可選取面直接加載。2.3 劃分網(wǎng)格門架為一框架結(jié)構(gòu),用三維實(shí)體單元來描述門架結(jié)構(gòu),更能反映其實(shí)際狀況。在ANSYS Workbench軟件中,三維實(shí)體單元有六面體單元和四面體單元等2種。由于六面體單元在劃分時(shí)要求結(jié)構(gòu)比較規(guī)則,對(duì)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行六面體網(wǎng)格的自動(dòng)劃分十分困難,而用四面體單元分析三維結(jié)構(gòu),單元?jiǎng)澐直容^靈活,可以更近似于復(fù)雜的幾何形狀。門架結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格如圖3所示。
3 結(jié)果分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)工況1門架的靜力學(xué)有限元分析結(jié)果圖見圖4。工況2、工況3相對(duì)于工況1的主要區(qū)別是起重臂與起重機(jī)運(yùn)行軌道夾角的不同,在對(duì)模型進(jìn)行加載時(shí)表現(xiàn)為圓筒表面所受彎矩方向的不同,這2種工況下的有限元分析結(jié)果不再列出。

從應(yīng)力云圖可以看出,高應(yīng)力區(qū)主要集中在圓筒與主梁、主梁與端梁的結(jié)合處。不計(jì)局部應(yīng)力集中的影響,工況1、工況2、工況3的最大合成應(yīng)力分別為228.7MPa、219.5MPa、206.5MPa,均小于許用應(yīng)力242.5MPa;最大撓度出現(xiàn)在主梁的中部,3種工況下最大撓度分別為1.07mm、0.95mm、0.79mm,均小于撓度許用值6mm(l/2000)。所以,門架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均滿足要求。同時(shí)還注意到,主梁與端梁連接處,由于剛度出現(xiàn)突變,應(yīng)力分布不均勻,在連接處增加筋板,以可改善應(yīng)力分布。加筋方案及工況1計(jì)算結(jié)果如圖5所示。
從圖5的應(yīng)力云圖可以看出,整個(gè)門架的應(yīng)力分布趨于均勻,且相同位置的應(yīng)力均有所減小,其中主梁腹板的最大應(yīng)力由228.7MPa減小為206.9MPa,端梁上蓋板與主梁翼板連接處局部應(yīng)力由279.2MPa減小為194.4MPa,加筋效果明顯。4 結(jié)束語(yǔ)本文利用Solidworks建立門架結(jié)構(gòu)三維模型并導(dǎo)入有限元軟件ANSYS Workbench中,選擇3種工況對(duì)門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得到了門架結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大撓度,及其應(yīng)力和位移分布規(guī)律。分析的結(jié)果可以非常直觀地反映部件的受力情況、薄弱部位等信息,可以作為確定板厚及需加強(qiáng)部位的依據(jù),有助于的材料的合理選用,為門座起重機(jī)新產(chǎn)品的開發(fā)和現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù)。

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