门式起重机结构强度有限元分析

前言

对龙门起重机结构进行分析计算的传统设计方法，不仅公式繁多，而且因为对力学模型进行了过多地简化，造成计算结果的不准确，使得在保证结构正常工作的前提下，整机重量较大，产品的性价比较低，市场竞争力较弱。而有限元分析方法可在三维建模的基础上，真实地反映龙门起重机复杂的载荷情况，因此近年来在起重机设计中的应用越来越多。

1有限元分析（1）有限元模型

龙门起重机由起升机构、小车运行机构和装卸

桥组成。装卸桥是起重机的重要组成部分，其安全可靠性直接决定着起重机的工作能力和工作质量，对起重机进行结构强度分析主要是对装卸桥进行分析。装卸桥由刚性支腿、柔性支腿和主梁组成，这些结构件都是用钢板焊接而成的箱体，内部用钢板形成网格状骨架来增加桥的强度。

装卸桥零件主要是板形和梁形，故采用壳体和线来建模。由于装卸桥零件比较多，如果采用过多的单元类型，划分网格时会因为不同单元之间的过

渡引起单元畸形，影响分析的精度。所以在有限元模型中，主要采用SHELL63单元和BEAM188单元。装卸桥板型零件采用SHELL63单元。SHELL63既具有弯曲能力，又具有膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载，包含应力刚化和大变形能力，比较符合装卸桥板型零件的实际受载情况。梁形零件采用BEAM188单元。BEAM188单元是一个三维线性（2节点）有限应力梁，该单元适用于线性，大旋转和大应变非线性分析，包括应力强化，比较符合装卸桥梁型零件的实际受载情况。忽略抓斗和小车的形状，把它们简化为质点，采用质量单元MASS21。起重绳索采用LINK10单元，为了模拟重物提升过程中重物自重和重物动载荷的影响，重物采用质量单元MASS21。

装卸桥采用Q235，材料密度为7800kg/m 3，弹性模量为2×1011Pa ，泊松比μ＝0.3。有限元模型的节点数17756，单元数21801，模型质量316t ，接近装卸桥实际质量320t 。

（2）载荷与边界条件

装卸桥所受到的载荷主要有：①装卸桥额定载荷为10t ，取动力系数1.25。由此设定起升质量为12500kg 。②起重机自重，在建模过程中单位采用SI (MKS)，取重力加速度g n ＝10m/s 2，沿着-Y 方向。

门式起重机结构强度有限元分析*

余永健1，刘红彬2，段明德2，李济顺1，刘永刚1，刘

义

2

（1.河南科技大学河南省机械设计及传动系统重点实验室，河南洛阳471003；2.河南科技大学机电工程学院，

河南洛阳471003）

摘要：利用有限元方法对某型号10t 门式起重机进行了结构强度分析，获得了起重机5种工况下的应力云图和变形位移云图。当小车位于右侧行程极限位置时，起重机结构的最大应力为152.8MPa ，位于主梁与柔性支腿的连接部位。最大应力接近Q235材料的许用应力177MPa ，结构的安全系数比较低。该型号起重机在实际应用中，也发现在主梁与柔性支腿的联接部位出现了裂纹，所建的模型可以用来指导起重机的结构改进设计。

关键词：起重机；有限元；结构强度

中图分类号：TH213文献标志码：A 文章编号：1003－0794（2009）11－0090－03

Finite Element Analysis of 10t Gantry Crane Structure Strength

YU Yong-jian 1，LIU Hong-bin 2，DUAN Ming-de 2，LI Ji-shun 1，LIU Yong-gang 1，LIU Yi 2

(1.Henan Machinery Design and Key Laboratory of Transmission,Henan University of Science and Technology ，Luoyang 471003，C hina ；2.Institute of Electrical and Mechanical Henan University of Science and Technology Engineering,

Luoyang 471003，C hina)

Abstract:FEM is adopted to analyse the crane.Structural static strength of the 10t indoors gantry crane for repair is calculated under five working conditions.The stress and deformation of crane are given.The results show maximum of crane occur in the section of grider and flexible crura when car is in the right limit state of crane.The maximum stresss is 152.8MPa closing to allowable stresss of Q235material.The safety factor of crane is relatively low.In the application of the cranes,the cleft is arised in section of girder and flexible crura.The results can be applied to design the crane.Key words:crane ；FEM ；structural strength *国家科技支撑计划资助（2006BAF01A45－03）；河南科技大学科学研究基金项目（2007ZY014）

煤矿机械

Coal Mine Machinery

Vol.30No.11

N ov.2009

第30卷第11期2009年11月

90

作为惯性载荷施加于有限元模型上，重物的水平惯性载荷等效为集中载荷，分别在小车4个安装脚位置加载载荷1002N，沿Z向。⑤外部环境因素对装卸桥的机械性能也有一定的影响，其中风载荷的影响最大。假定在7级风速下，风压力垂直作用于主梁单侧迎风面。经过计算，确定风载荷大小为250Pa，风载荷均匀分布在主梁的单侧表面。

根据起重机的实际工作状态，边界条件主要有：①刚性支腿与主梁的固结部位的节点设定全耦合，从而模拟刚性支腿与主梁的固结；②柔性支腿与主梁结合的节点耦合位移X、Y、Z以及绕X、Y轴的旋转，从而模拟柔性支腿与主梁的铰接；③刚性支腿根部全约束；④柔性支腿根部全约束。

2有限元仿真结果

分别对起重机在5种工况下的强度进行了仿真计算，获得了不同工况下的应力和位移云图，如图1～图5所示。通过图1～图5的分析结果，获得了起重机在各种工况下的最大应力和最大位移，如表1所示。

（a）应力云图

（b）位移云图

图1小车处于左边行程极限位置时的云图

（a）应力云图

（b）位移云图

图2小车处于主梁左边1/4位置时的云图

（a）应力云图

（b）位移云图

图3小车处于跨中位置时的云图

（a）应力云图

（b）位移云图

图4小车处于主梁右边1/4位置时的云图

（a）应力云图

（b）位移云图

图5

小车处于右边行程极限位置时的云图

第30卷第11期Vol.30No.11

门式起重机结构强度有限元分析——

—余永健，等

91

表1

起重机在5种工况下的最大应力和位移

装卸桥的材料为Q235，它的许用应力为177MPa 。根据分析的5种工况的应力分布结果可以看出，装卸桥各部位的应力值都没有超出许用应力值，变形也满足设计要求。但装卸桥在工况5下工作时，装卸桥的最大应力为152.8MPa ，与Q235材料的许用应力值比较接近，装卸桥的安全系数比较低，容易产生疲劳损伤。

3结语

有4台该型号门式起重机，在使用240d 后主

梁与柔性支腿联接部位出现了局部开裂的现象，这也验证了仿真结果的正确性。

上述有限元计算结果对起重机进行现场测试

时准确确定测试位置以及传感器的选择和布置具

有指导价值。对起重机在工况5下的位移进行了实际测量，测量的最大位移为92mm ，与仿真结果吻合。所以为了保证起重机安全运行，有必要对装卸桥做进一步的结构改进，建议改变装卸桥主梁与柔性腿的铰链联接方式，减少应力集中，使结构应力分布更合理。

参考文献：

［1］王仿，高顶．塔式起重机整体结构的有限元分析［J ］．煤矿机械，

2009，30(2)：96-97．

［2］杨正，薛金保，方彪．大型门式起重机结构设计计算［J ］．机械设

计与制造，2006（12）：17-19．

［3］邸蓉．冶金行业用起重机主梁结构疲劳强度评估方法［J ］．起重

运输机械，2006（2）：23-25．

［4］龙靖宇．门座起重机主要构件力学性能的有限元分析［J ］．煤矿

机械，2005，26（7）：65-67．

［5］秦东晨，王迎佳，朱晓芳．基于MSC.Patran/Nastran 的桥式起重机

主梁优化设计［J ］．起重运输机械，2007（7）：24-26．

作者简介：余永健（1979－），河南驻马店人，2006年毕业于河南科技大学，现为河南科技大学河南省机械设计及传动系统重点实验室讲师，研究方向：机械设计及仿真.

收稿日期：2009－05－26

基于ANSYS 的陶瓷过滤机主轴电机斜撑支架的可行性分析*

赵运才，雷发成

（江西理工大学机电工程学院，江西赣州341000）

摘要：针对现有陶瓷过滤机电机支撑架存在的问题，提出改进方案，利用ANSYS 有限元设

计软件中的静力分析对方案进行设计分析，模拟它的受力及约束情况。结果表明，通过ANSYS 软件对主轴电机支架采取的斜撑结构的分析，得出在保证原有强度下安全可靠。

关键词：陶瓷过滤机；斜撑支架；ANSYS ；强度分析中图分类号：TB121

文献标志码：A

文章编号：1003－0794（2009）11－0092－03

Feasibility Analysis on Bracing Bracket of Spindle Motor in Ceramic

Filter Based on ANSYS

ZHAO Yun -cai,LEI Fa -cheng

(Mechanical &Electrical Engineering College,Jiangxi Science and Technology University,Ganzhou 341000，C hina)

Abstract ：The ceramic filter for the existing mechanical and electrical machines backstop problems,to improve the program,using ANSYS finite element design software in the static analysis of program design analysis,simulation of the power and be bound by the situation.The results showed that ANSYS software through the spindle motor braces taken stent structure analysis to ensure safe and reliable under the original intensity.

Key words ：ceramic filter ；support braces ；ANSYS ；strength analysis 煤矿机械

Coal Mine Machinery

Vol.30No.11

N ov.2009

第30卷第11期2009年11月

111111111111111111111111111111111111111111111

前言

安徽铜都特种环保设备有限公司研制的TT 系列陶瓷过滤机作为一项高新技术产品，集机电、自

动化控制、超声波清洗、微孔陶瓷等高新技术于一体，具有高效、节能、过滤效果好、自动化程度高、运行成本低、滤液清澈可综合利用、滤饼干燥且水分可调、适应性强等特点。由于TT 系列陶瓷过滤机对过滤介质适应性强，而且滤板采用微孔陶瓷，具有*江西理工大学博士启动基金和安徽铜都特种环保设备有限公司科学研究合作项目（［2007］012）

加载位置

跨中左1／4处行程极限（左）右1／4处行程极限（右）

数值

74.162.8.3.4152.8

位置主梁靠近刚性支腿主梁靠近柔性支腿

数值

15.115.819.515.7.5

位置主梁中间截面附近主梁最右端

最大应力／M Pa 最大位置／mm

92