基于有限元分析的单梁桥式起重机优化设计.doc

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1、 基于有限元分析的单梁桥式起重机优化设计摘 要：利用ANSYS9.0分析单梁桥式起重机钢结构的力学特性，并结合分析结果咯实际经验提出了相应的结构优化方案，其正确性和合理性得到验证，并为同类产品优化设计提供有益参考。关键字：桥式起重机；钢结构；优化设计；FEM目前广泛应用于机械制作、冶金、钢铁、码头的桥式起重机占具我国起重机的40%左右。原有起重机设计方法多为传统的设计方法，设计效率低下，设计起重机安全系数大、消耗原料多、结构不尽合理。亟待对其钢结构进行优化设计。通常的优化设计是利用数学规划的方法，将机械工程的设计问题转化为由目标函授与约束条件描述额度最优化问题。该方法对于解决较典型的优化问题可

2、以得到较好的优化结果，但对于工程实际中经常出现的多目标、多约束条件优化问题则存在着数学模型难以建立及计算复杂，难于推广应用等问题。鉴于此，本文利用有限元分析软件对可能的结构设计方案快速进行虚拟试验，并通过分析FEM虚拟试验的结果，作相应的结构优化。以LX型单梁桥式起重机主梁钢结构为例，利用ANSYS模拟其在最恶劣工况下的应力分布和变形情况，提出并检验了优化方案。1. LX型5t电动悬挂单梁桥式起重机钢结构特点LX型5t电动悬挂单梁桥式起重机由主梁和两条端梁、电动葫芦、大车运行机构、电气设备等主要部件组成。车轮组倒挂在车间的H型轨下运行。主梁中部由工字梁I32a和箱型梁焊接而成；两端悬臂部分则由

3、工字钢I32a与槽钢28a焊接而成；端梁由两根槽钢18与钢板焊接而成，主梁通过箱型梁两侧的吊耳实现与端梁的连接，如图1所示。2. 有限元建模和分析方案2.1单元的选择与网格划分LX型5t电动悬挂单梁桥式起重机钢结构中的工字钢、槽钢和箱型梁的主尺寸均为其厚度的10倍以上，故选定壳单元（shall 63）对该桥式起重机进行有限元分析1。此外，选用壳单元便于模型的优化修改。2.2确定最恶劣工况相关理论表明：小车位于跨中并制动，大车行径轨道接头并制动；小车位于悬臂梁极限位置并制动，大车行径轨道接头并发生偏斜为最恶劣的2中工况2。前者用于确定主梁跨中最大综合应力和最大挠度；后者用于确定主梁端部支撑截面上

4、的最大剪应力。2.3确定加载方案和约束模式按以上2种工况和主梁钢结构特点可确定加载方案如表1所示。主梁为简支伸臂梁模型，受垂直和水平方向载荷作用，应约束一端支点X,Y,Z方向的位移，约束另一端支点X,Y方向的位移。3. 优化前结构分析利用ANSYS按以上2中工况加载求解后，其结果见图2、图3。图2为主梁的工况1下综合应力分布云图。考察该应力分布云图可知，主梁吊耳吊装孔附近区域应力值较高，并在吊装孔工作面出现了最大综合应力171.778MPa。主梁中部应力只有48.85193.7MPa。箱型梁两端直角和锐角过渡焊缝处应力为117.127140.548MPa。图3为主梁的变形情况，垂直方向最大位移

5、20.766mm，水平方向最大位移为7.398mm，最大位移发生在主梁中部。4 结构优化方案4.1方案提出的依据由以上分析结果可知：该单梁桥式起重机强度和刚度储备充足，这是因为采用偏安全的设计方法，计算时选取了较大的系数。考虑到主梁的承载部分为工字钢，在没有充分论证的情况下改换型号较小饿工字钢存在一定得不确定性。所以，本为从主钢梁的箱型梁入手，初步探讨优化箱型梁钢板厚度对主梁强度和刚度的影响。4.2方案的实施主梁箱型梁分为上下两部分，上部分为倒U形箱体，有厚度为6mm的钢板焊接而成；下部分为V形箱体、各横向隔板和加强肋板，厚度为5mm。现将箱型梁钢板厚度减小1mm，观察其分析结果是否满足强度和

6、刚度要求。由于本文有限元模型有壳单元（shell 63）分析箱型梁板所以只需要修改相应板厚的实常数再重新求解，即可方便的考察优化后主梁的力学特性。4.3 优化结果分析图4为优化后主梁的综合应力分布云图，该图显示，最大综合应力为17.958MPa，符合强度要求，最大综合应力发生在主梁吊耳吊装孔工作面附近。考察其综合应力分布，除主梁吊耳吊装孔附近应力集中处的应力数值比较高外，主梁中部应力为58.989117.974MPa。箱型梁两端直角和锐角过渡焊缝处应力为154.296180.011 MPa，考虑钢板焊接后一般应予以打磨，焊缝处呈圆角过渡，而有限元分析模型对此圆角作了简化，造成局部应力集中，此处

7、应力值应比实际值高3.图5为优化后主梁的变形情况，垂直方向最大位移为23.095mm，水平方向最大位移为8.770mm，符合刚度要求，最大位移发生在主梁中部。主梁结构优化前后对比见表2.通过以上比较可知，优化主梁箱型梁钢板厚度后，主梁强度、刚度并未明显降低，满足工作要求；最大应力发生位置也无改变，主梁重量降低了8.572%。较好地达到优化主梁钢结构的目的。此外，从以上有限元分析结果可知：主梁综合应力和切应力值较高的部位为吊耳吊装孔附近区域和箱型梁两端钢板焊接处，虽然分析结果显示强度满足工作要求，但对该处作强化处理可有效提高实验寿命和安全性。应采用改善焊接工艺或焊接加强板的方式予以加固。5 结语本文结合设计人员的设计经验和有限元分析功能，通过快速虚拟试验的方式寻求相对优化的结构设计方案。与传统的优化的结构设计方法相比较，该方法得到的并非数学规划概念上的最优解，但其容易实现。此外，本文算例已经投产，其结果为同类桥式起重机钢结构优化设计提供了有益的参考。参考文献1 曾攀。有限元分析及应用M。北京：清华大学出版社，2004.。 2 徐格宁。起重运输机金属结构设计M。北京：机械工程出版社，1995. 3 于兰峰，周志鳌。铁路起重机转台有限元分析J。计算力学学报，2003，20（5）：627-630. .