1、第 7 卷第1 期2009 年3 月中?国?工?程?机?械?学?报CHINESE JOURNAL OF CONSTRUCTION MACHINERYVol.7 No.1?Mar.2009作者简介:陈?进(1956-),男,教授,博士生导师,工学博士.E?mail:Chenjin413 大型双梁桁架门式起重机钢结构设计与研究陈?进,樊?艳,侯?沂,王旭东(重庆大学 机械传动国家重点实验室,重庆?400030)摘要:针对某 160 t 双梁桁架门式起重机,进行钢结构设计计算与研究分析.运用 ANSYS 软件建立三维实体模型,对起重机在工作过程中的 6 个最不利工况进行载荷分析,然后使用 ANSYS
2、 软件对其进行有限元强度和刚度分析,得出各个工况的应力和位移云图.最后,对有限元分析结果验算评估,为改进双梁桁架门式起重机钢结构设计与研究分析提供了参考.关键词:双梁桁架门式起重机;钢结构;设计与研究;有限元分析中图分类号:TH 213.4?文献标识码:A?文章编号:1672-5581(2009)01-0063-05Design and study on steel structure for large?scaledouble?girder?truss cranesCHEN Jin,FAN Yan,HOU Yi,WANG Xu?dong(State Key Laboratory of Mec
3、hanical Transmission,Chongqing University,Chongqing 400030,China)Abstract:Pertaining to a specific 160 t double?girder?truss crane,the steel structure is calculated and an?alyzed.Afterwards,a three?dimensional solid model is developed using ANSYSTM.Accordingly,the loadinganalysis is conducted on six
4、 toughest crane working conditions.Further studied,the finite-elementstrengths and rigidities,together with stress and strain contour diagrams,are obtained.At last,the analy?sis results are checked and evaluated to provide a reference for related steel structure design.Key words:double?girder?truss
5、crane;steel structure;design and study;finite element analysis?门式起重机是 1 种重要的物料搬运设备,广泛应用于厂矿、车站、港口、电站、高层建筑、工况企业等生产领域中.随着经济的发展,它不仅在国民经济中占有重要的位置,而且在社会生产和生活领域中的应用也不断扩大 1 2.160 t 双梁桁架门式起重机门架钢结构的质量占整机质量的 60%以上,是整个起重机工程系统设计的重要环节.该钢结构设计的合理性和安全可靠性直接决定了起重机的工作能力和工作质量;同时,不合理的钢结构设计参数会降低对资源的利用率.因此,对起重机门架钢结构设计与研究分析
6、已成为该设计领域的研究重点.1?双梁桁架门式起重机钢结构设计针对起重机重量轻、刚度好、作业空间大、作业效率高等设计要求,对 160 t 双梁桁架门式起重机进行钢结构设计研究,同时对起重机主梁及支腿采用规范化设计,然后进行 ANSYS 分析研究.图 1?双梁桁架门式起重机钢结构图Fig.1?Steel structure sketch of doublegirders truss crane该起重机采用四桁架式结构设计,起重机的钢结构图见图 1 所示.四桁架式主梁桁架由主桁架 1、上水平桁架 2、副桁架 3、斜撑杆 4 和下水平桁架 5 组成,见图 2 所示.设计过程中,视起重机主梁为简支梁,进
7、行受力分析,并结合式(1)和式(2),确定各个截面设计参数 3 4.主桁架 1的上、下弦杆截面积可近似取为?中?国?工?程?机?械?学?报第 7 卷?1-主桁架;2-上水平桁架;3-副桁架;4-斜撑杆;5-下水平桁架图 2?四桁架式主梁桁架Fig.2?Main girders of four trussesAs=?4M1+?2M2h?2(1)As=1.3Ax(2)式(1),(2)中:As,Ax分别为主桁架 1 上、下弦杆的截面积,m2;?4,?2分别为运行冲击系数和起升载荷动力系数;M1,M2分别为固定载荷和移动载荷引起的桁架跨中弯矩,N?m;h 为主桁架1的弦杆高,m;?2为材料第 类载荷组
8、合许用应力,MPa.对于主桁架 1,由于上水平桁架 2 的上弦杆上附有轨道,因此对上水平桁架 2、下水平桁架 5及斜撑杆 4 截面选型确定角钢型号时,应注意:(1)主桁架 1 的上水平桁架 2 角钢的截面积的计算公式为Ajs=Axu-Ag(3)?(2)主桁架 1 的下水平桁架 2 的斜撑杆 4的截面积计算公式为Ajx=Axu(4)式(3),(4)中:Axu为桁架杆件需要的截面面积,m2;Ag为轨道截面面积,m2.图 3?主桁架 1的上弦杆截面Fig.3?Cross section of upper chordof main truss 1通过以上分析计算,主桁架 1 的上弦杆采用双角钢拼接的形
9、式,如图 3 所示,选用角钢型号为:L20-200-14.其余各个桁架的角钢型号选取方法,均与主桁架的上弦杆的选取方法相同.确定各个桁架的外形尺寸后,根据结构力学,绘制起重机主桁架 1 在固定节点载荷作用下桁架杆件内力的!克 马图,可对主桁架 1 危险截面的弦杆进行强度验算 5.应用式(5),对主桁架 1 上弦杆进行强度验算表明,满足设计要求,因此设计合理.?=NmaxAsh=131.26 MPa?=203 MPa(5)式中:Nmax为桁架杆件最大内力,N;Ash为桁架杆件实际的截面面积,m2;?为所选钢 Q345 的许用应力,MPa.起重机各个桁架选用的角钢型号确定后,根据下式对起重机整体质
10、量进行计算,结果为 155.1 t.M=#ni=1 iAiLi(6)式中:i,Ai,Li分别为起重机各个桁架的材料密度、截面积、长度.2?双梁桁架门式起重机钢结构的有限元分析2.1?有限元模型的建立通过有限元建模,可以大大简化设计周期,降低设计成本,达到较好的设计效果.然而在建模中,通常要对实体模型进行合理的简化.假定材料等参数是精确的,对起重机钢结构做出以下建模假设与简化 3:(1)模型中的所有桁架结构全部采用空间梁单元(BEAM189)模拟,支腿底部钢板采用壳单元(SHELL63)模拟.(2)起重小车简化为集中质量力,以轮压形式作用于轮子上.(3)大车轮子简化为有约束的支撑点.(4)主梁上
11、的轨道只考虑它的质量因素,其他(如电动机、钢丝绳等)附属装置的质量忽略.(5)由于本设计是桁架式起重机,在求解的过程中,采用理想化加载方式.64?第 1 期陈?进,等:大型双梁桁架门式起重机钢结构设计与研究?根据起重机钢结构的各部分设计参数,建立其有限元模型,如图 4 所示.该模型共有单元 7 637 个,节点 16 266 个,截面形式 6 种.图 4?起重机钢结构的有限元模型Fig.4?Finite element model of crane2.2?载荷分析双梁桁架门式起重机工作过程中,主要受到起吊载荷 Q、风载荷 P、启动或制动惯性力 Ph、主梁自重和小车自重以及附属装置重力的作用,起
12、吊载荷的作用点沿主梁轨道左右移动,支腿底部的下横梁是整个承载装置的基础.各力计算如下:风载荷为P=CKhqA(7)式中:C 为风力系数;Kh为风压高度变化系数;q 为工作计算风压,N?m-2;A 为挡风面积,m2.在计算起重机风载荷时,应考虑风对起重机是沿着最不利的方向作用的.起重机或小车运行机构启动或制动时,起重机或小车的自身质量以及起升质量产生水平惯性力 Ph为Ph=?sm a(8)式中:?s为系数,考虑起重机机构驱动力(制动力)突加急突变时,结构的动力效应,?s=1.5;m 为运行部分的质量,kg;a 为启动或制动加速度,m?s-2.重力为G=mg(9)式中:m 为起重机的整机质量,kg
13、;g 为重力加速度,取 9.8 m?s-2.主梁受小车车轮的压力为P1=(?1Gg+?2Qg)/4(10)式中:?1为起升冲击负荷系数,取 1.05;G 为小车及吊钩重力,取 0.2 kN;?2为起升载荷动载系数,取1.13;Q 为主钩起吊载荷,取 0.8 kN.2.3?工况分析由于作用在起重机上的外载荷种类很多,且变化很大,故分析研究时只考虑与门机结构破坏形式有关的典型性载荷,通常称为计算载荷,有以下几种:自重载荷、起升载荷、运行机构的水平惯性力和风载荷.运行机构的水平惯性力分为纵向门机运行方向的水平惯性力和横向门机横梁方向的水平惯性力.各个载荷的计算见 2.2节.载荷以起重机小车轮压的形式
14、平均传递至主梁.考虑到起重小车在运行过程中位置的变化,根据起重机的载荷组合形式 4,将计算模型分为 6 种计算工况进行分析,如表 1 所示.表 1?工况描述Tab.1?Load condition description工况工况描述主要验算12 辆小车位于跨中,起吊额定载荷,不考虑自重静刚度21 辆小车满载运行至悬臂极限位置,起吊额定载荷,不考虑自重静刚度32 辆小车满载,位于跨内极限位置,起吊额定载荷,不考虑自重静刚度42 辆小车位于跨中,大车不动,吊重下降制动,风向顺着大车轨道方向,考虑自重和风载强度51 辆小车位于悬臂极限位置,大车运行制动,起升机构起制动,风向顺着大车轨道方向,考虑自重
15、和风载强度62 辆小车满载,位于跨内极限位置,大车不动,吊重下降制动,风向顺着大车轨道方向,考虑自重和风载强度2.4?强度与挠度分析在第二类载荷组合中,根据各种不同工况,对起重机主梁的强度和刚度进行计算 6.本文采用静力学方法,对起重机钢结构的结构强度、刚度和稳定性计算,对下列矩阵方程求解:65?中?国?工?程?机?械?学?报第 7 卷?K u =F(11)式中:K 为钢结构的总刚度矩阵;u 为节点位移向量;F为节点外力向量.由矩阵方程(11)可求得节点位移,由节点位移即可求得单元的应力和应变.弹塑性材料许用应力为?=?sns(12)式中:?s为材料的屈服极限,MPa;ns为安全系数,起重机材
16、料类型为 Q345,取 n=1.7 4,则许用应力?=203 MPa.160 t 双梁桁架门式起重机为造船用起重机,其工作级别为 A4,当满载小车位于跨中位置时,由于额定起升载荷和小车自重使主梁在跨中产生的垂直静挠度 f 与起重机跨度L 的关系为f 1700L=0.044 m(13)式中:L=30.8 m.2.4.1?悬臂上有效工作位置的挠度由额定起升载荷和小车自重引起,在有效悬臂长度处的垂直静挠度 f1与此有效悬臂长度 l 的关系为f11350l=0.012 5 m(14)式中:l=4.4 m.3?计算结果的分析对建立的有限元模型进行加载求解,选取起重机连续工作的两个工况分别进行刚度和强度分
17、析 7,8.(1)选取第一工况的载荷组合,进行起重机桁架静刚度的验证,其最大位移如图 5 所示.图 5 所示结果表明,在第一工况载荷组合下,最大位移位置在主梁主桁架上弦杆中心处,为 0.043 2 m.支腿与主梁连接处和支腿下横梁位移变化较小.模型的最大应力值为 195 MPa,位于主梁主桁架下弦杆中心处.(2)选取第五工况的载荷组合,进行起重机桁架强度的验证,其应力如图 6 所示.图 6 所示结果表明,在第五工况载荷组合下,最大应力位置在左支腿下横梁与支腿主肢连接处,其值为 39.5 MPa,主梁右端梁与支腿连接处应力较大,其余部分应力较小.模型的最大位移值为 0.012 0 m,位于当风对
18、起重机沿着最不利方向作用的主梁主桁架上弦杆中心处.其余各个工况计算结果如表 2 所示.图 5?第一工况时的桁架位移云图Fig.5?Displacement contour of condition 1图 6?第五工况时的桁架应力云图Fig.6?Stress and strain contour of condition 566?第 1 期陈?进,等:大型双梁桁架门式起重机钢结构设计与研究?表 2?有限元计算结果Tab.2?Results of finite element calculating values工况123456最大应力值/M Pa195.039.868.0176.039.559.
19、4最大位移值/m0.043 20.010 80.013 00.040 80.012 00.0134?依照 2.4节中计算的起重机许用应力为 203 MPa、许用位移为 0.044 0 m 和0.012 5 m,对表 2 中的计算结果逐项进行对比可知,各个工况的应力和位移都足够并有一定的余量.起重机钢结构整体设计时,质量为155.1 t.在ANSYS 中,对起重机模型在钢结构重力作用下的自重进行计算,结果为 151.18 t,比设计计算值减小了 2.6%.由此可知,该起重机钢结构设计过程和有限元分析结果是可靠、合理的.4?结论对某 160 t 双梁桁架门式起重机进行钢结构分析,运用现代设计方法,
20、对其各个桁架进行设计研究.采用 ANSYS 软件,对设计出的模型进行有限元强度和刚度分析.通过结果对比分析,模型在 6 个最危险工况下的强度和挠度基本满足设计要求,有限元分析结果对实际设计有参考价值,同时为其他的工程机械设计分析提供了可行的方法和手段.参考文献:1?王金诺.起重运输机金属结构 M.北京:中国铁道出版社,2002.WANG Jinnuo.Steel structure of lifting conveyor M.Beijing:China Railway Publishing House,2002.2?庞延波,于兰峰.双梁桁架龙门起重机主梁的优化设计 J.重型机械科技,2007(
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