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隨著貿(mào)易經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和港口貨物吞吐量不斷增長，門座起重機由于其良好的工作性能和通用性，成為港口裝卸作業(yè)不可缺少的重要設(shè)備。門座起重機的整體金屬結(jié)構(gòu)作為主要的承載部件，由于其露天、腐蝕性的工作環(huán)境以及較高的使用頻率和工作強度，易產(chǎn)生疲勞裂紋、腐蝕等缺陷，影響結(jié)構(gòu)強度和剛度等力學(xué)性能，并危及起重機使用安全。因此，門座起重機的金屬結(jié)構(gòu)強度分析并為生產(chǎn)和維修提供依據(jù)，具有十分重要的意義。
傳統(tǒng)的門座起重機結(jié)構(gòu)分析多采用力學(xué)計算方法，由于其設(shè)計變量較多，受力復(fù)雜，因此計算量大且較多采用經(jīng)驗簡化或估算，勢必影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元分析方法具有建模方便快捷、計算結(jié)果準(zhǔn)確的突出優(yōu)點，日益成為起重機結(jié)構(gòu)強度分析廣泛使用的分析方法。
本研究分析的門座起重機由某水工機械廠1990年制造安裝，用于某電站建設(shè)施工，1998年起移至某造船廠用于造船用部件和材料的吊運。該起重機自重約377t(含壓重56t)，結(jié)構(gòu)大體可分為上部旋轉(zhuǎn)部分和下部運行部分，旋轉(zhuǎn)部分包括臂架系統(tǒng)(由象鼻梁、吊臂、大拉桿、小拉桿、變幅拉桿等組成)、人字架、平衡重、轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)臺等，通過起升、變幅、旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)在環(huán)形圓柱體空間升降物品，運行部分主要是由門架和運行臺車組成。其中轉(zhuǎn)柱、門架和臂架系統(tǒng)是門座起重機最重要的承載構(gòu)件。
根據(jù)門座起重機的結(jié)構(gòu)特點和受力特點，可把起重機的轉(zhuǎn)柱結(jié)構(gòu)、門架結(jié)構(gòu)和起重臂一起簡化成空間桿系結(jié)構(gòu)，采用ANSYS提供的空間梁單元BEAM188進(jìn)行離散化，整個結(jié)構(gòu)共劃分了9,920個單元、18,717個節(jié)點，主要梁單元的截面參數(shù)見表所示。給出了簡化為桿系結(jié)構(gòu)的起重機整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖，給出了轉(zhuǎn)柱上部局部網(wǎng)格圖，給出了轉(zhuǎn)柱下部和門架局部網(wǎng)格圖，給出了起重臂局部網(wǎng)格圖。
門座起重機的型材選用Q235普通鋼，密度為7,800kg/m3，常溫下屈服極限為235MPa，定義彈性模量為2.1X105MPa，泊松比取0.3a。選取起重機最不利的運行工況，分析起重機在相應(yīng)工況額定最大荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，并作為結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力測試布點的依據(jù)。因此計算工況選取起重機處于最小變幅和最大變幅狀態(tài)下兩種計算工況：C1>最小變幅工況：吊鉤最大荷載60t，計算彎矩為1,260tm，(2)最大變幅工況:吊鉤最大荷載31t，計算彎矩為1,260tm，起重機門架結(jié)構(gòu)的支座固定端全部采用剛性固定，門架與平衡架相連的鉸點采用固定端約束形式，即6個自由度全部約束。臂架系統(tǒng)與人字架、平衡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)臺等部件的各鉸點均有不止一個軸承，且需考慮定位套筒的作用，因此在實際建模過程中將其處理為繞軸轉(zhuǎn)動的節(jié)點，使臂架系統(tǒng)在oxy平面內(nèi)可以自由擺動。轉(zhuǎn)柱與門架、臂架與鋼絲繩、齒條與拉桿之間可繞Z軸相互轉(zhuǎn)動，所以在oxy平面上對線位移施加約束。
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