基于有限元的桅杆起重机吊臂结构分析.pdf

桥梁检测与加固
2012,5(2
基于有限元的桅杆起重机吊臂结构分析
宋波
(武桥重工集团股份有限公司,湖北武汉430056)
摘要:吊臂是起重机的主要承载部件,吊臂的性能对
起重机起着至关重要的作用,利用 ANSYS建立了吊臂系统
整体有限元分析模型,计算吊臂准确的应力分布情况,采用
容许应力法对吊臂的强度进行校核,其分析结果对桅杄起重
机吊臂设计起着重要的指导作用。
关键词:桅杆式起重机;吊臂;有限元法
桅杄起重机是一种较简易的起重设备,具有结
构简单、起重量大、占地面积小的特点,被广泛应用
在矿山、港口码头、船舶和各类建设工地。桅杆起重
图1斜撑式桅杆起机结构示意
机按支撑方式可分为斜撑式桅杆起重机和纤缆式桅
杆起重机。
斜撑式桅杄起重机主要由吊臂、立柱、斜撑、起2有限元模型
升系统等组成(图1)。吊臂是起重机主要的承载部
起重机吊臂总长35m,共分4节,为桁架式结
件,吊臂的性能对起重机起着至关重要的作用,桅杆
构,利用传统理论设计方法得到吊臂各尺寸,节段采
起重机的工况繁多,载荷复杂,如果对起重机整个工
用变截面(图2)。主肢采用5mmX10mm的无
作过程中吊臂的受力状态缺乏全面的认识,采用工缝钢管,经条采用小48mmX5mm的无缝钢管。吊
程分析方法全面分析其受力特性是非常麻烦的事臂底部与立柱较接,头部设置有主钩定滑轮组,变幅
情,因此,有必要探讨既能反映吊臂受力状况和应力系统通过索具固定在吊臂头部。
特性,计算量又少的分析方法
采用 ANSYS软件建立有限元模型,采用板单
本文以港口码头30t斜撑式桅杆起重机作为元(Shel3)模扠钢板、梁单元(Beam188)模拟型钢、
研究对象,基于有限元法对椸杅起重机吊臂结构进杆单元( Link10)模拟钢丝绳和质量单元(Mas21)
行讨算分析与研究,全面分析桅杆起重机在多工况模拟集中质量(图3)。对吊臂做如下简化:①忽略
下的力学性能,并提出优化方案与意见。
辅助连接板和焊缝局部结构;②用起升载荷代替起
8000
-900+_100+-.800.
NISTTSレ YT\/NVAVAV
レペ 7VZLIEI.
图2吊结构示意
收稿日期:2012-10--22
作者简介:宋波(1984-),男,助理工程师,2007年毕业于长江大学机械设计制造及其自动化专业,工学学士,2010年毕业于西南交通大学
机械设计及理论专业,工学硕士
总第10期
基于有限元的桅杆起重机吊臂结构分析
见表2,吊臂整体各工况下最大应力云图见图4,吊
臂局部最大应力云图见图5。最大应力出现在吊臂
主肢与臂头腹板连接处,最大应力为226MPa,故主
肢采用Q345B的95mm×10mm钢管,安全系数
取1.48,容许应力233MPa,满足设计要求。
表2各工况计算结果
最大应力值/MPa
最大位移值/mm
226
l41
图3吊臂有限元模型
升钢丝绳的作用;③不计吊臂的制造误差和钢管壁
厚偏差;④将吊臂各节之间弦杆的销轴连接视为固
接;⑤③将弦杆上的近距离腹杄节点合并
吊臂根部2处铰点处施加约束,约東3个方向
位移自由度Uュ、Uい、U。以及2个转动自由度
ROTx、ROT:。変幅钢丝绳一端与吊臂头部的拉板
采用刚性连接进行模拟,钢丝绳另一端进行约束,约
束3个方向位移自由度Ux、U
起重机的吊臂工作计算载荷主要是货物重量P
和吊臂的自重Q。计算载荷按载荷组合以产生最不
5953
2E+080.100E
0.251E+080.754E+080,126E+090,176E+090.226E+09
利作用的方式施加,计入冲击载荷系数影响的结构
单位:Pa
自重载荷以重力加速度的方式施加;考虑动载荷系
图4吊臂整体最大受力云图
数影响的起升载荷以分布载荷施加于滑轮轴上;起
升绳拉力以等效集中力施加于滑轮轴上;起升物惯
性力以集中力施加于滑轮轴上;吊臂惯性力在相应
方向上以加速度的方式施加;坡度使吊臂偏斜一定
不松2
的角度而改变了吊臂的受力,坡度载荷的施加按偏
斜角度对有关载荷进行分解后施加;水平风载荷对598.2516:1930a!5:019o
吊臂受力影响很小,不予考虑,仅考虑垂直风载荷,
单位:Pa
对同风向垂直的杆件以分布载荷施加,其他杆件以
图5吊臂局部最大受力云图
等效节点力施加于相应的节点上。
通过 ANSYS计算发现吊臂的腹杅受力较小,
根据吊臂在工作情况下可能的最危险情况确定
最大应力在60MPa以内,由于腹杆主要起到吊臂
计算工况,起重机典型工况见表1。
整体稳定作用,采用Q235B的48mm×5mm的无
缝钢管,安全系数取1.48,容许应力158MPa,满足
3计算结果与优化
设计要求。
经计算分析得出品臂在各工况下的应力及位移
4结语
表起重机典型工况
工况
吊重/kN
幅度/m
吊重力矩/kN?m
在计算的各工况中,吊臂的初步设计结构具有
300
足够的强度储备,有限元法在求解大型复杂结构的
力学问题时具有手工计算难以达到的计算精度及效
2700
5460
率,可以更好地指导结构的优化设计。