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起重機(jī)是一種不受地面活動(dòng)干擾的機(jī)械式搬運(yùn)設(shè)備，裝備于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中的各個(gè)部門，是實(shí)現(xiàn)物流搬運(yùn)機(jī)械化的關(guān)鍵。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是起重機(jī)的機(jī)械骨架，起著承受和傳遞起重機(jī)所負(fù)擔(dān)載重及其自重的作用，是起重機(jī)的主要組成部分。長期以來，起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)多采用以古典力學(xué)和數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的半理論、半經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)過程反復(fù)多，周期長，精度差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論(如可靠性理論、優(yōu)化理論及有限元等)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多跨學(xué)科的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。這些方法與起重機(jī)結(jié)合，使起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)入了新的高質(zhì)量、高效率階段。目前在起重機(jī)行業(yè)已廣泛運(yùn)用有限元分析軟件(如Ansys等) 對各類起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，但國內(nèi)大多數(shù)起重機(jī)設(shè)計(jì)人員還不能熟練運(yùn)用這些軟件，加上Ansys有限元實(shí)體建模和修改的復(fù)雜性及模型調(diào)試的耗時(shí)性，導(dǎo)致起重機(jī)設(shè)計(jì)過程緩慢，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品缺乏競爭力。
雖然現(xiàn)有起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)有限元分析研究的文獻(xiàn)不少，但主要集中在整體金屬結(jié)構(gòu)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析上，很少有對箱形梁內(nèi)部或外側(cè)加勁肋對箱形梁受力影響做詳細(xì)分析評價(jià)的研究。為此，杭州那泰有限元分析公司結(jié)合50t-30m跨度的U形門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，基于Ansys的APDL語言，參數(shù)化地實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)主梁的建模、分網(wǎng)、加載、加約束及有限元分析，探討了其有限元模型的正確性及其分析結(jié)果的收斂性；對內(nèi)部不同加勁肋組合方式的起重機(jī)箱形梁進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，定量給出主梁橫向及縱向加勁肋對主梁強(qiáng)度及剛度影響的大小，為今后起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的有限元分析計(jì)算提供可靠的技術(shù)指導(dǎo)。
U形門式起重機(jī)的主要性能參數(shù)為：額定起重量50t，跨度30m，起升高度15m，小車總質(zhì)量14t，懸臂長12m，小車輪距3.1m，小車軌距8m，起升速度7.75m/min，小車運(yùn)行速度38.6m/min，有效懸臂長8.5m。
依據(jù)起重機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況及GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)按有風(fēng)工作狀態(tài)下的載荷組合B進(jìn)行即： 1)滿載小車位于主梁跨中，大車、小車同時(shí)運(yùn)行制動(dòng)，風(fēng)力平行于大車軌道；2)滿載小車位于有效懸臂端，大、小車同時(shí)運(yùn)行制動(dòng)，風(fēng)力平行于大車軌道。由于主梁跨度L≥30m，支腿采用一剛一柔的結(jié)構(gòu)形式。材料Q235，安全系數(shù)1.33，許用應(yīng)力176.69MPa。
依據(jù)GB/T 3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，滿載小車位于跨中及有效懸臂位置的主梁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果表明，主梁最危險(xiǎn)截面是滿載小車位于有效懸臂端時(shí)懸臂根部截面(支腿處) ，該處最大應(yīng)力為106.5MPa，最大變形為21.13mm，強(qiáng)度未超過許用值176MPa，剛度小于許用值24.29mm，滿足設(shè)計(jì)要求。
起重機(jī)主體部分由鋼板焊接而成，鋼板屬于板殼結(jié)構(gòu)，不僅會(huì)產(chǎn)生平面變形，還會(huì)產(chǎn)生空間彎曲扭轉(zhuǎn)的復(fù)雜變形，故在建模時(shí)對主體結(jié)構(gòu)采用殼單元Shell63進(jìn)行模擬。Shell63單元具有彎曲和薄膜功能，允許面向和法向載荷。由于集中載荷直接施加到主梁的殼單元上會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，故在主梁上加設(shè)采用實(shí)體單元Solid45的軌道簡化模型，并將集中載荷施加在軌道上，避免造成主梁的應(yīng)力集中。根據(jù)起重機(jī)常用材料Q235B，其彈性模量2.12×1011N/m2，泊松比0.3，密度7860kg/m3。
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