基于ANSYS平台的四连杆门座起重机立柱及平衡系统金属结构有限元分析

王红霞，王红勤

（1.河南工学院，河南 新乡 453003；2.广州大学 华软软件学院，广东 广州 510990）

四连杆门座起重机作为一种典型的旋转类型起重机（CAD模型如图1所示，实物如图2所示），被广泛应用于港口、码头货物的装卸，造船厂船舶的施工与安装及大型水电站建坝工程中。金属结构在门座起重机的总重量中占有很大的比重，约占70%，金属结构的大小对起重机零部件的尺寸和重量、能耗、轨道基础和安装等费用都有很大的影响，因此如何减轻金属结构的重量显得尤为重要。立柱及平衡系统在四连杆门座起重机正常工作的过程中扮演着重要的角色，为了使门座起重机正常的工作，同样必须把立柱及平衡系统也设计好。有限元ANSYS做为一种结构分析软件，被广泛地应用于起重机金属结构设计过程当中来。相对于以前传统的设计方法，有限元分析更直接地把结构件各个截面的应力和位移表示出来，这是传统的以力学和数学为基础的半理论半经验的设计方法所不能比拟的。

文章利用有限元分析软件对MQ4030四连杆门座起重机的立柱及平衡系统进行应力及位移分析，通过应力云图和位移云图，来进行结构优化设计，从而进一步验证设计的合理性，同时还可以大大缩短设计周期，降低生产成本，提高整机的经济效益。

图1 四连杆门座起重机CAD模型图

图2 四连杆门座起重机实物图

1 立柱及平衡系统简介

MQ4030四连杆门座起重机的立柱及平衡系统的金属结构包括立柱、平衡梁及小拉杆。立柱采用的是箱形结构，材料为Q345B的钢板，立柱与下面的转台直接焊接；平衡梁采用的也是箱形结构形式，材料为Q345B的钢板，平衡梁支撑在立柱顶部横梁上，平衡梁前端与拉杆通过铰接相连，平衡梁的尾部设有活配重箱；小拉杆采用的是管子结构，材料为Q345B的无缝钢管，小拉杆通过铰接与臂架及平衡梁相连。

2 有限元模型的建立

利用有限元软件ANSYS进行应力与位移分析时，首先要正确地建立有限元模型。由于在工程实际当中，实物都比较复杂，在建立有限元模型的时候有必要进行简化。立柱及平衡系统金属结构都是由钢材焊接而成，在建模的过程当中忽略焊接的影响，认为焊缝都是符合要求的；把转台、组合臂架系统等视为刚体，立柱及平衡系统的变形与转台、组合臂架系统等无关，把立柱及平衡梁系统作为起重机的一部分拿出来单独进行分析；钢板及无缝钢管材质都认为是均质，没有制造偏差。

根据以上简化的原则，在有限元分析软件ANSYS中对立柱及平衡系统进行建模，并选取合适的单元进行受力模拟。①立柱及平衡梁属于箱形结构，故采用Shell63单元来进行模拟。Shell63单元的每个节点具有6个自由度即沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动和沿节点坐标系X、Y、Z轴的转动；②平衡系统中的小拉杆属于管子结构，故采用Beam188单元模拟，Beam188是三维线性2节点梁单元，每个节点有6个自由度即节点坐标系的X、Y、Z方向的平动和绕X、Y、Z轴的转动。

立柱及平衡系统的有限元模型如图3所示。立柱及平衡梁系统金属结构采用的材料均为Q345B，材料的弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比 μ=0.3，密度 ρ=7.85×10-6kg/mm3。

图3 立柱及平衡梁系统金属结构有限元ANSYS模型

3 工况及组合载荷的施加

3.1 工况的确定

四连杆门座起重机工作幅度比较大工况比较复杂，通常计算需要考虑以下9个典型受力工况进行综合分析：工况1，工作幅度为30m，起重量为25t，货物侧摆角度为12°，风垂直于臂架，单根钢丝绳上的拉力F=9.66×104N；工况2，工作幅度为30m，起重量为25t，货物侧摆角度为8.4°，货物外摆角度为7°，风平行于臂架，单根钢丝绳的拉力F=9.62×104N；工况3，工作幅度为30m，起重量为25t，货物外摆角度为 10°，风平行于臂架，单根钢丝绳的拉力F=9.59×104N；工况 4，工作幅度为24m，起重量为40t，货物侧摆角度为12°，风垂直于臂架，单根钢丝绳的拉力F=13.32×104N；工况5，工作幅度为24m，起重量为40t，货物侧摆角度为8.4°，货物外摆角度为7°，风平行于臂架，单根钢丝绳的拉力F=13.27×104N；工况6，工作幅度为24m，起重量为40t，货物外摆角度为10°，风平行于臂架，单根钢丝绳的拉力F=13.32×104N；工况7，幅度为10m，起重量为40t，货物侧摆角度为12°，风垂直于臂架，单根钢丝绳的拉力F=13.32×104N；工况8，幅度为10m，起重量为40t，货物内摆角度为10°，风平行于臂架，单根钢丝绳的拉力F=13.23×104N；工况9，幅度为10m，起重量为40t，货物侧摆角度为8.4°，货物外摆角度为7°，风平行于臂架，单根钢丝绳的拉力F=13.27×104N。

3.2 计算载荷与约束

限于篇幅的限制，文章仅以工况1为算例来进行分析。根据作业情况，对立柱与转台焊接处施加相应的位移约束，即约束住沿坐标系X、Y、Z轴的平动和沿坐标轴X、Y、Z轴的转动。立柱及平衡系统所受的力包括：①由组合臂架刚性拉杆所提供的拉力NL；②由变幅机构中齿条或螺杆传来的轴向力SP；③由活动配重对变幅平衡梁的作用力NZ；④立柱及平衡系统的自重PGR；⑤臂架对小拉杆的拉力FN；⑥由起升绳在导向滑轮上的合力（压力）SQ；⑦超载限制器支座的作用力SC；⑧立柱及平衡系统所受的风载荷PWR；⑨立柱及平衡系统所受的惯性力PrR。现建立如图4所示的坐标系，计算载荷的具体处理方案为：①组合臂架刚性拉杆施加给立柱的水平方向的力NLX=1.93×106N，竖直方向的力NLY=1.25×106N，绕Z轴的弯矩MNL=-2.37×109Nmm；②由变幅机构中的齿条或螺杆传给立柱水平方向的力SPX=1.86×105N，竖直方向的力SPY=-4.62×104N，绕Z轴的弯矩MSP=-1.78×108Nmm；③活动配重对变幅平衡梁的作用力NZ=NY=-5.1×105N；④计入起升冲击系数影响的立柱及平衡系统自重载荷PGR以重力加速度的方式施加，起升冲击系数ψ1=1.51（抓斗工况），重力加速度为g=9800mm/s，故施加的加速度为a=1.51×9800=14798mm/s；⑤臂架对小拉杆水平方向的拉力FNX=8.58×105N，臂架对小拉杆竖直方向的拉力FNY=-7.2×105N；⑥起升绳在导向滑轮上的压力水平方向上的分力SQX=2.0×105N，在竖直方向上的分力SQY=-1.89×105N；⑦超载限制器支座的作用力在水平方向上的分力SCX=4.29×104N，在竖直方向上的分力SCY=-0.87×104N；⑧立柱及平衡系统所受的其他力PWR、PrR相对于其他力来说比较小，在这里忽略不计。 立柱及平衡系统所受载荷及约束如图5所示。

图4 坐标系

图5 立柱及平衡系统所受载荷及约束图

4 仿真结果及分析

根据上述计算工况和约束条件对有限元模型进行计算，计算结果如图6～图8所示，立柱及平衡系统金属结构最大应力为211.7MPa，金属结构所用材料为Q345B，材料的屈服强度σs=345MPa，根据GB/T3811-2008规定，取安全系数n=1.34，所以材料的的许用应力［σ］=σs/n=257MPa，所以立柱及平衡系统金属结构强度满足材料许用应力的要求；立柱与平衡系统金属结构最大位移为50mm，金属结构的许用挠度［f］=65mm，所以立柱及平衡系统金属结构刚度同样也满足规范要求。

图6 立柱及平衡系统整体应力分布图

图7 立柱及平衡系统应力局部放大图

图8 立柱及平衡系统整体位移分布图

5 结语

（1）在建模的过程当中对立柱及平衡系统金属结构进行了适当的简化，不可避免会出现应力集中的现象，所以用有限元软件分析出来的应力要比工程实际当中的偏大。限于篇幅的限制，这里仅仅列举了一种工况，其他各种工况经过有限元的分析，应力和位移同样是满足规范要求。

（2）对立柱及平衡系统金属结构有限元分析的结果，进一步验证有限元ANSYS做为一种金属钢结构的分析软件，能够比较精确的分析金属结构的强度与刚度，为理论计算提供一种比较方便快捷的校核方法；并且有些金属结构过于复杂，很难通过手算计算出来，有限元计算软件ANSYS就很好地弥补了手算的不足。同时根据金属结构的应力云图和位移云图，可以清楚地找到各个位置的应力和位移，为立柱及平衡系统金属钢结构优化设计提供理论依据，从而更好地提高整机的经济效益。

［1］孙枫，张振雄，余贺元，等.港口起重机设计规范［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］张质文，王金诺，程文明，等.起重机设计手册［M］.北京：中国铁道出版社，2013.

［3］GB/T3811-2008，起重机设计规范［S］.北京：中国标准出版社.