基于有限元法的桥式起重机桥架结构刚度和强度仿真分析

摘要：桥架是桥式起重机的重要组成部分，用以支撑桥式起重机整机的机械、电气设备及被起升的重物，其强度及刚度的校核是桥式起重机设计和制造中的重要因素之一.通过理论计算和Marc有限元仿真方法对桥式起重机桥架结构进行静力学刚度和强度分析，得到桥架结构在极限工况下的承载应力大小及分布状况，对桥架进行强度及刚度校核，可为在役桥式起重机结构的安全性和可靠性评估提供理论支撑.

关键词：桥式起重机； 有限元法； 强度分析； 刚度分析

中图分类号：TH215文献标志码：B

0引言

桥式起重机是生产车间中应用广泛的一种固定式起重设备.金属桥架是桥式起重机的重要组成部分，用以支撑整机的机械、电器设备以及被起升的重物，承受并传递作用在起重机上的各种较为复杂的载荷，桥式起重机桥架结构及其受力示意见图1.近年来，国内外在机械产品设计中更多地采用动态仿真设计方法，即用计算机仿真理论和软件对机构和结构在各种工况下进行动态分析，获得虚拟样机运行过程中的载荷、速度、加速度和位置等的变化，以此来预测实际运行机构和结构的动力学性能.目前，国内外机械结构的动力学主要采用Adams动态仿真得到机构实际运行的各种数据，但在刚度和强度分析上还要借助有限元分析软件来进行.[1-2]Marc具有处理几何非线性、材料非线性、包括接触在内的边界条件非线性以及组合的高度非线性等的超强能力，可以处理各种结构静力学和动力学（包括模态分析、瞬态响应分析、简谐响应分析和谱响应分析）问题，温度场分析以及其他多物理场耦合问题.[3]

3理论分析与仿真结果对比

对比材料力学计算和有限元仿真计算的挠度可以看出，理论计算的方法具有简单方便的特点，但存在较多的假设和简化：主梁并非规则的结构，但材料力学计算时，对其进行简化，使得计算的主梁质量小于实际的质量，导致挠度计算结果小于主梁结构的实际挠度，因此只可作为桥架结构刚度的粗略计算.而Marc有限元仿真的方法虽然建模、划分网格和添加边界条件等比较麻烦，但可以在实体模型的基础上对其进行分析，更接近实际情况，同时可以较准确地得到桥架结构的应力分布状况，具有更多的现实意义，可为该类桥式起重机桥架结构的设计改进提供参考.

4结论

（1）通过材料力学的方法对该箱型梁桥式起重机桥架结构进行刚度校核.

（2）运用Marc有限元分析的方法对桥架结构进行刚度和强度仿真分析和校核，得出最大应力和变形出现的位置，与实际情况及已有的试验结果相符合，在对桥架结构进行承载能力综合评估时应将桥架结构的薄弱部位作为检测的重点.

（3）对比2种方法的优缺点可知，理论计算方法对桥架结构进行大量的简化，计算时又进行假设，其结果与现实差距较大，但省时，能粗略的计算结果；基于Marc的有限元仿真方法可以更直观的看出桥架结构的应力分布及挠度情况，但比较麻烦.

对桥式起重机桥架结构3D有限元分析所得到的承载应力大小及其分布状况不仅可为起重机桥架结构的设计提供参考，同时可作为在役桥式起重机承载能力可靠性评估的研究基础.

参考文献：

[1]王金诺， 于兰峰. 起重运输金属结构[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2002： 1-3.

[2]须雷. 现代起重机的特征和发展动态[J]. 起重运输机械， 1997（10）： 3-7.

[3]冯超. 全新Marc实例教程与常见问题解析[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 2012： 1-2.

[4]王家营. 箱型梁桥式起重机静动态分析与优化[D]. 太原： 太原科技大学， 2007： 21-23.

[5]GB 3811-83起重机设计规范[S].

[6]赵楠. 采用空间梁单元计算T梁荷载横向分布[J]. 山西建筑， 2007， 33（15）： 75-76.

ZHAO Nan. Calculation of transverse load distribution of T-beam utilizing space beam element[J]. Shanxi Architecture， 2007， 33（15）： 75-76.

[7]薛继忠， 易传云， 王伏林. 桥式起重机桥架结构的三维有限元分析[J]. 机械电子， 2004（8）： 1-15.

XUE Jizhong， YI Chuanyun， WANG Fulin. Three dimension finite element analysis of bridge-crane frame structure[J]. Mechinery & Electronics， 2004（8）： 1-15.

[8]杜壮， 王文娜， 连国栋. 基于ANSYS的桥式起重机主梁三维有限元分析[J]. 河北工业科技， 2010（16）： 325-326.

DU Zhuang， WANG Wenna， LIAN Guodong. 3D finite element analysis of bridge crane girder based on ANSYS[J]. Hebei Journal of Industrial Science & Technology， 2010（16）： 325-326.

[9]崔华伟， 徐长生. 桥式起重机桥架结构参数化设计与有限元分析[J]. 起重运输机械， 2007（7）： 21-23.

CUI Huanwei， XU Changsheng. Paramatric design and finite element analysis of structure of bridge crane[J]. Hoisting and Conveying Machinery， 2007（7）： 21-23.

[10]王小慧， 程文明. 起重机金属结构有限元分析的模型处理技术[J]. 起重运输机械， 2006（9）： 3-34.

WANG Xiaohui，CHENG Wenming. Crane metal structure finite analysis model processing technologies[J]. Hoisting and Conveying Machinery， 2006（9）： 3-24.

[11]曾宪渊， 张仲鹏， 张磊. 16 t × 22.5 m双梁桥式起重机主梁有限元分析及优化[J]. 机械管理开发， 2011（2）： 84-86.

ZENG Xianyuan， ZHANG Zhongpeng， ZHANG Lei. FEA and optimization of 16 t × 22.5 m double beam bridge crane girders[J]. Mechanical Managaement and Development， 2011（2）： 84-86.（编辑武晓英）