一、案例介绍
本案例以某轻量化桥式起重机模型为例，通过使用静力分析模块和设计助手模块，详细描述了轻量化桥式起重机桥架的多工况分析的方法。使设计人员能够对设计规范所要求的多种工况进行组合分析，以计算起重机不同工况下的结构响应。从而发现结构上的薄弱位置，减少其在使用过程中的隐患，为轻量化桥式起重机的系列化、模块化设计提供必要的信息和条件。
二、分析流程
1、桥式起重机是国民经济建设中各个行业不可缺少的起重机械。桥式起重机依靠起升机构进行物料的升降作业，依靠运行机构进行水平移动，从而搬运货物，实现起重机覆盖区域的任意空间位置的目的。
采用桥式起重机能提高作业效率，保证作业质量，降低作业成本。桥式起重机具有场地利用率高、作业范围大、适应面广、通用性强等特点，在室内外工矿企业、钢铁化工、铁路交通、港口码头以及物流周转等部门和场所均得到广泛的运用。
桥式起重机由桥架、小车、大车运行机构、司机室、电缆滑架及电气设备等组成，如图-1所示。
图-1轻量化桥式起重机
桥式起重机的装卸对象种类繁多，同时为了适应各类物料的装卸，通常采用不同的取物装置。一般按以下方法进行分类：
根据桥架的结构不同，分为型钢梁结构、箱型梁结构和桁架梁结构等。其中箱形梁结构应用最广泛。
1、型钢梁式结构一般主梁采用工字钢或加强了的工字钢，它的运行小车一般采用电动葫芦。这类结构简单，起重量一般较小。
2、箱形结构桥架是应用最为广泛的桥架结构的基本型式。它由两根主梁和两根端梁组成，主梁是由上、下盖板和两块垂直腹板组成封闭的箱形截面的实体板梁结构。箱形梁式桥架（特别是小车轨道正中铺设的正轨型）具有设计简单、制造工艺好、组装方便、通用性强、利于在外部实现自动化的焊接过程，改善了生成效率和焊接质量、抗扭刚度好等优点。缺点是自重大，桥架水平刚度较差，箱形内部施焊条件差。
随着新结构、新工艺和现代设计方法的应用，这些缺点正逐步得以改善。箱形梁式桥架制造省工省场地，结构总高度小，运行机构安装维修方便。这些有利条件对于尺寸规格多、生产批量较大的桥式起重机生产标准化系列产品来说，显得更加重要。所以正轨箱形梁式桥架结构至今仍然是我国成批生产的、最常用的、典型的一种桥架。
3、桁架式结构分为三角形桁架式、四桁架式和空腹桁架式结构。桁架式结构较箱形结构制造工艺复杂，费工时，难以保证各构件按规定的形心要求组装，焊接变形大。优点是迎风面积小，自重较轻。
根据取物装置不同，分为吊钩桥式起重机、电磁盘桥式起重机、抓斗桥式起重机。有时为了使吊钩桥式起重机使用场合更广泛，在吊钩上附以可更换的电磁盘或马达抓斗，以便作两种或三种用途。桥式起重机发展状况：
国起重机行业起步于上世纪50年代，主要是仿制前苏联的产品。1949年10月27日，由大连起重机器厂生产出了我国第一台额定起重量为5t，跨度22.5m的双梁箱形桥式起重机。
我国上世纪80年代开发了5-50t桥式起重机系列产品中，主梁结构主要采用正轨箱形梁和半偏轨箱形梁，。其中小车采用整体板梁结构，起升机构的减速器壳体、卷筒和滑轮组等多为铸件，尺寸较大、质量较重。
从上世纪90年代开始，起重机主要部件的技术有了较大改进。硬齿面减速器、“三合一”减速器、焊接卷筒、卷筒专用联轴器、制动器、热轧焊接滑轮等主要部件的技术取得了重大突破，并成功应用，使得整机性能有了较大程度的提高，但我国桥式起重机的技术水平与先进的国际水平相比，仍存在一定的差距。
从技术角度来看主要存在以下问题：
① 整体设计水平不高
我国起重机的设计现在虽然也已经开始采用极限状态法，但主要还是采用传统的许用应力法，该方法与极限状态法相比，无论在安全系数的选取还是在设计参数的取值均与实际情况有较大出入。另外一些先进的设计工具（如ANSYS、ABAQUS、ADINA、HYPERMESH等有限元分析软件）还未能在业内广泛使用。
② 生产工艺水平不高
我国大部分的起重机产品和零部件质量差、技术性能落后的主要原因就是生产设备及工艺技术水平低。对先进的和特殊的制造工艺缺乏经验和研究。虽然近些年我国的工艺技术水平有所提高，但即使这样，如果完全按照国外的标准和设计图纸，有些产品也很难完全借鉴、制造出来。
③ 新产品研发水平不高
当前国内起重机的自主研发能力很弱，新产品的开发很少，一些重要场合使用的起重机主要还是由外国的公司设计制造。我国起重机行业的总体科技力量仍然比较弱，技术资料陈旧、匮乏。同时受限于从业人员的素质、科研经费、制造设备、管理水平等因素的影响，使研发技术储备缺乏，新产品的开发存在较多问题，导致设计周期长，产品更新换代缓慢，很难适应国际市场的需求。
④ 技术标准水平不高
我国制定的技术标准主要以跟踪国际和先进国家、地区的标准为主，如ISO标准及FEM标准，对技术标准的消化创新能力偏低。缺乏企业自定符合自身需要的高要求标准。推广轻量化桥式起重机的背景：
目前，我国通用桥式起重机的主要制造产品是上世纪80年代设计的系列桥式起重机，产量很大，在国民经济的各行各业中有广泛的应用。今后市场对桥式起重机的需求量会越来越大，在满足需求的同时，也带来了一些与可持续发展相互冲突的问题，如能源问题、环境问题等。与其他重型机械一样，桥式起重机消耗大量的钢材，具有设计制造成本高、工作能源消耗大等缺点，所以要在重型机械领域适应国家淘汰高能耗设备的总体方针，对桥式起重机实施轻量化设计是必行之路。
我国现有的通用桥式起重机系列的主要技术，多沿用原苏联上世纪50年代的产品结构形式，虽然经过多次改进，但与目前国际著名企业在起重机的整体重量、技术性能等方面仍存在很大的差距。
目前，国外著名起重机公司都己采用轻量化、模块化设计思想，改善整机性能，降低制造成本。根据相关资料介绍，某公司自采用模块化设计后，生产的轻量化桥式起重机，与国内同类产品相比其自重大大减轻，例如，国内某传统桥式起重机小车自重10877kg，是起重量的34%，而相同起重能力的某轻量化桥式起重机小车自重7367kg，是起重量的23%。沿着载荷传递的路线，主梁、端梁、车轮等部件均比传统的桥式起重机小若干等级。很明显，轻量化桥式起重机在节省材料、电能方面具有很大的优势。
近年来，我国的起重机械设备也开始向重量轻、能耗低的方向发展，但目前我国的桥式起重机与国外许多具有先进结构的轻量化桥式起重机相比，还存在较大差距，多数还处在轻量化研究的起步阶段。
2013年12月17日，北京起重运输机械设计研究院承担的“十二五”国家科技支撑计划“通用型桥式起重机轻量化设计技术及应用”顺利通过中国机械工业联合会组织的验收。该课题隶属于“十二五”国家科技支撑计划“绿色制造关键技术与装备”项目，于2011年1月正式启动，历时3年完成。
由此可见我国相关部门在积极朝向轻量化起重机的方向努力。许多企业与个人也纷纷投入到轻量化起重机研发的活动中去，在此期间，作者也用2年多的时间自行开发了《轻量化桥式起重机设计开发系统》软件，尽力为我国轻量化起重机的发展贡献自己的一份微薄之力。推广轻量化桥式起重机的意义：
① 在制造时减少了材料与能源消耗，降低了生产加工成本；
② 减小小车外形尺寸、自重及轮压，增加了起重机的工作空间，降低了厂房造价；
③ 装机容量的降低，降低了产品运行能耗，从而降低使用企业的运行成本。
三、桥式起重机计算载荷及工况分析
1、强度计算的目的是将起重机所受到的外载荷与其结构材料的抗力进行比较。由于起重机外载荷种类多而且变化不定,因此进行计算时,只选择与起重机结构破坏有关的、具有典型的载荷作为依据。作用在起重机上的载荷分为常规载荷、偶然载荷、特殊载荷及其它载荷，只有在分析与这些载荷有关的起重机各种可能的载荷组合时，才需要区分这些载荷的不同类别。
① 常规载荷是指起重机正常工作时经常发生的载荷。包括由重力产生的载荷,由驱动机构或制动机构使起重机加(减)速运动产生的载荷及因起重机结构的位移变形引起的载荷。
② 偶然载荷是指起重机在正常工作时不经常发生而只是偶然出现的载荷。包括由工作状态的风、雪、冰、温度变化及偏斜运行引起的载荷。
③ 特殊载荷是指起重机非正常工作时或不工作时的特殊情况下才发生的载荷。包括由起重机试验、受非工作状态风、缓冲器碰撞或起重机（或其一部分）发生倾翻、起重机意外停机、传动机构失效或起重机基础受到外部激励等引起的载荷。
自重载荷PG是指起重机本身的结构、机械设备、电气设备以及在起重机工作时，始终积结在它的某个部件上的物料等质量的重力荷载。
额定起升载荷PQ是指起重机起吊额定起重重量时的总起升质量的重力。
变速运动引起的载荷。为了反映实际出现的弹性效应，将机构驱动加（减）速动载系数φ5乘以引起加（减）速的驱动力（或力矩）变化值ΔF=ma（或ΔM=Jε），并与加（减）速运动以前的力（F或M）代数相加，该增大的力既作用在承受驱动力的部件上成为动载荷，也作用在起重机和起升质量上成为它们的惯性力。这里查取φ5=1.2。
2、本节选取一台主钩额定起重量50000kg，副钩额定起重量10000kg，跨距31500mm的轻量化桥式起重机进行工况分析，主要参数如下：
小车总质量10850kg，小车轨距2800mm，小车基距3000mm，小车轮数4只。起升机构加速度0.0133m/s2，小车行走加速度0.0967m/s2，大车行走加速度0.1m/s2。主体结构采用Q235B板材焊接制造，中等定位精度要求。
根据《起重机设计手册》的工况组合表，选取一个典型工况（A3工况）进行组合分析：起升机构（悬吊起升额定起重量）、小车行走机构、大车行走机构均同时动作,此时小车位于主梁跨中位置。
本案例的分析过程为：分别计算三种工况，然后进行工况组合，分别查看其应力和荷载方向上的变形。
工况1、空中起升额定载荷并加速时，沿起升方向竖直向下的力F1=149282×4 N，同时对桥架结构施加反方向重力加速度；
工况2、小车行走加速时，沿主梁长度方向水平力F2=1765.26×4 N；
工况3、大车行走加速时，沿垂直主梁长度方向水平力F3=1825.5×4 N，同时对桥架结构施加反方向0.1m/s2加速度。
分析时，使用三个静力学分析模块分别计算三个工况的结构响应，并使用设计助手模块将其直接组合，得到的多工况组合变形结果值不超过42mm，即可满足刚度合格条件。
3、打开模块。打开ANSYS WORKBENCH 15.0平台→在“Toolbox（工具箱）”下方分别拖拽一个的“Static Structural（静力学分析模块）”到项目目录中→再拖拽一个“Static Structural（静力学分析模块）”到A4“Model（有限元模型）”处放开鼠标，以完成两个模块中材料数据、模型数据、有限元模型数据的传递→拖拽第三个“Static Structural（静力学分析模块）”到B4“Model（有限元模型）”处放开鼠标→在再拖拽一个“Design Assessment（设计助手模块）”到C6“Solution（分析）”。
以打开合适的模块→拖拽B6“Solution（分析）”到D5“Setup（荷载）”，以完成将工况2的荷载数据，添加到设计助手模块→拖拽A6“Solution（分析）”到D5“Setup（荷载）”，以完成将工况1的荷载数据，添加到设计助手模块。如图-2所示。
图-2打开模块
完成数据传递后如图-3所示。
图-3连接模块
4、导入模型。右键单击A3“Geometry（模型）”→单击下拉菜单“Import Geometry（导入模型）”→“Browse（浏览）”。如图-4所示。
找到并单击“50T轻量化桥吊.x-t”模型→向下单击“打开”。如图-5所示。
图-4 导入模型
图-5 打开模型
5、划分网格。双击A4“Model（有限元模型）”。如图-6所示。
单击“Outline（提纲）”下方“Mesh（网格）”→向下在“Details of Mesh（网格的详细信息）”下方“Element Size（单元尺寸）”后方输入“80”mm→向上单击“Update（刷新网格）”。如图-7所示。
图-6 划分网格
图-7 刷新网格
等待一分钟网格，生成完毕后，查询可知网格单元数为122068个，节点数为787303个。局部的网格如图-8所示。
6、工况一、加载荷载。加载重力加速度。单击“Outline（提纲）”下方A5“Static Structural（静力学分析模块）”→向上单击“Inertial（惯性荷载）”→单击下拉菜单的“Standard Earth Gravity（标准地球重力）”。如图-9所示。
图-8 局部的网格
图-9 加载重力加速度
更改方向。由于模型建模时的坐标系方向的原因，默认加载的重力加速度方向与实际所需不同。如图-10所示。应更改为“-Y”方向。单击“Standard Earth Gravity（标准地球重力）”→向下在“Details of Standard Earth Gravity（标准地球重力的详细信息）”下方下拉“Direction（方向）”成“-Y Direction（-Y方向）”。如图-11所示。更改后的方向如图-12所示。
图-10 更改方向
图-11 设置方向
7、设置固定位移约束。分别在桥吊八个端梁的底面设置八组固定位移约束。单击其中一个底面→向上单击菜单栏上“Supports（约束）”→“Fixed Support（固定位移约束）”。如图-13所示。
图-12 更改后的方向
图-13 固定位移约束
需要在其中一侧的端梁施加X、Y、Z方向的位移约束，另一侧的端梁施加X、Y方向的位移约束。重复操作，共建立八处约束。
单击另一侧的支撑面→单击菜单栏上的“Supports（支撑）”→向下单击“Displacement（位移约束）”。如图-14所示。
向左在“Details of Displacement（位移约束的详细信息）”下方“X Component（X 方向）”以及“Y Component（Y方向）”后方输入“0”。而其他Z方向保持默认的“Free（自由）”。
图-14 位移约束
图-15释放自由度
8、加载起升荷载。分别在小车四个车轮的侧面添加相同的起升荷载。单击一个表面→向上单击菜单栏“Loads（荷载）”向下单击“Force（力的荷载）”。如图-16所示。
单击其中一个车轮模型的侧面，加载方向向下的“14982”N荷载。重复四次，在四个轮子加载相同的荷载。如图-17所示。
图-16 起升荷载
图-17 输入荷载
单击模型向下的边线，当表示加载方向的红色箭头向下时，单击“Details of Force（力的详细信息）”下方“Direction（方向）”。如图-18所示。
图-19为工况一的荷载和边界条件设置情况。
图-18 更改方向
图-19 设置的荷载
9、输出结果。输出总变形和等效应力结果。单击“Outline（提纲）”下方“Solution（分析）”→向上单击“Deformation（变形）”→向下单击“Total（总变形）”。如图-20所示。
图-20 总变形结果
10、工况二、加载荷载。除工况一中的标准地球重力荷载，在工况二中，其他的荷载和边界条件可以借用工况一中已经设置的部分。
按住键盘上的“Ctrl”键分别单击八个固定位移约束和四个力的荷载→向下将其拖动到B5“Static Structural（静力学分析模块）”中。如图-21所示。
在工况二中，四个力的荷载方向更改为沿着主梁长度方向，大小为“1765.3”N。图-22为工况二的荷载和边界条件设置情况。
图-21 拖拽荷载和约束
图-22 设置的荷载
11、工况三，加载荷载。与工况二相同，拖拽八组固定位移约束和四组力的荷载到C5“Static Structural（静力学分析模块）”中，方向垂直于主梁长度方向，大小为“1825.5”N。
考虑到主梁水平移动时的加速度效应，需加载与“1825.5”N方向相同的“100”mm/S2的水平加速度荷载。单击“Outline（提纲）”下方C5“Static Structural（静力学分析模块）”→向上单击“Inertial（惯性荷载）”→向下单击“Acceleration（加速度荷载）”。如图-23所示。
在“Details of Acceleration（加速度荷载的详细信息）”下方“Magnitude（数值）”后方输入“100”MM/S2→向下单击“Click to Define（定义）”。如图-24所示。
图-23 加速度荷载
图-24 设置方向
选择一个垂直于主梁长度反向的表面，这时WORKBENCH 15.0会用红色箭头提示即将加载力的方向→向左单击“Details of Acceleration（加速度荷载的详细信息）”下方“Apply（确认）”。如图-25所示。
图-26为工况三的荷载和边界条件设置情况。
图-25 确认方向
图-26 设置的荷载
12、工况组合。单击“Outline（提纲）”下方“Solution Selection（选取分析项目）”。如图-27所示。向右在“Worksheet（工作表）”的表格框范围内单击右键→单击下拉菜单的“Add（添加工况）”。如图-28所示。
图-27工况组合
图-28 添加工况
在“Environment（仿真环境）”中下拉，单击选择第一个静力学分析模块。如图-29所示。
图-29 工况一
图-30继续添加
继续单击右键，添加其他的工况。如图-30和图-31所示。
图-31 三个工况
图-32 总变形结果组合
添加组合的总变形结果。单击“Outline（提纲）”下方的D6“Solution（分析）”→向上单击“Deformation（变形结果）”→单击下拉菜单的“Total（总变形）”。如图-32所示。
求解前，应保存项目文件。单击“File（文件）”向下单击“Save Project（保存项目文件）”。如图-33所示。
注意：在笔者双核心CPU，8G内存的笔记本上，求解每个工况约需半个小时的时间。求解缓慢主要是内存不足引起的。当求解进度条进行到中间部分时，需用内存量远超8G的实际内存，软件被迫使用硬盘中的虚拟内存参与运算。此段时间内的CPU占用率仅5%左右，形成性能瓶颈；如将求解器从默认的直接求解器更换为迭代求解器，内存占用约6.5G，在几乎全部求解时间中，CPU占用率均为100%。求解每个工况的时间接近4小时。
图-34到36分别为三个工况的总变形结果，图-37为将该三个工况组合后的变形结果。
图-33 保存文件
图-34 工况一总变形
13、结果后处理。根据结果可知，工况一的最大变形量为“23.083”mm，为整体向下的弯曲变形；工况二的最大变形量为“0.020688”mm，呈现S形变形；工况三的最大变形量为“0.92414”mm，为横向弯曲变形。工况组合后的最大变形为“22.985”mm，为整体向下的弯曲变形。
注意：显示的变形结果均放大了一定比例。
图-35 工况二总变形
图-36 工况三总变形
图-37 组合工况总变形
14、分析结果判断：由于中等定位精度要求，主梁下挠位移值取f≤S/750=42mm，刚度分析结果小于上述数值，满足起重机设计规范的要求。
15、退出WORKBENCH 15.0平台。
来源：仿真秀APP
声明：本站部分文章及图片转载于互联网，内容版权归原作者所有，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！
