張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

爐頂自動搬送起重機(jī)吊具導(dǎo)向架的分析優(yōu)化

張世軍

(中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司， 遼寧 沈陽 110141)

通過Pro/E 軟件對爐頂搬送自動起重機(jī)吊具導(dǎo)向架進(jìn)行三維建模。利用有限元軟件ANSYS Workbench對吊裝工具進(jìn)行仿真計(jì)算，得出吊具導(dǎo)向架的變形與強(qiáng)度分布情況，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對吊具導(dǎo)向架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對相似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

吊具導(dǎo)向架； 有限元； ANSYS Workbench； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

焦?fàn)t是煤化工企業(yè)的主要設(shè)備之一，爐頂主要有運(yùn)行機(jī)械和橋管、裝煤車等爐體附件。爐頂搬送自動起重機(jī)是一種負(fù)責(zé)爐頂相關(guān)附件檢修、調(diào)運(yùn)、安裝等工作的專用起重機(jī)。

吊具導(dǎo)向架是爐頂搬送自動起重機(jī)的重要組成部分，它是吊具導(dǎo)向的重要裝置，因此要求有很好的剛度強(qiáng)度和抗振動性能，為了保證吊具導(dǎo)向架的安全，用ANSYS Workbench對其進(jìn)行仿真模擬，并提供了給定設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布云圖，為對其進(jìn)行失效分析和更深入的分析模擬提供理論依據(jù)。

1 有限元法理論介紹

有限元方法起源于矩陣結(jié)構(gòu)的一種分析方法，通過科學(xué)家和數(shù)學(xué)家的多年的工作，已經(jīng)使其不斷成熟完善，從而變成在工程分析中一種處理偏微分方程邊值問題的最有效的數(shù)值方法之一，對于工程中的許多場變量的定解問題，通過此方法可以得到滿足工程要求的近似解。應(yīng)用此方法在對于連續(xù)介質(zhì)問題分析時，首先要將求解域離散化，然后的中心工作是單元分析，即建立結(jié)點(diǎn)位移與結(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系。此后的工作可以認(rèn)為是程式化的工作，即組裝總體方程和求解此方程，在解方程時要用到數(shù)值積分。變分原理在有限元方法中有重要的作用，在許多場合依據(jù)變分原理可以給出總體方程合理性的滿意解釋。創(chuàng)建新型單元的工作仍在不斷進(jìn)行，人們始終沒有放棄構(gòu)造新型的功能更強(qiáng)、性質(zhì)更優(yōu)的單元的努力。有限元法近年在諸多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用并且不斷完善。因此通過有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度，是非?？旖?、準(zhǔn)確、有效的方法。ANSYS Workbench作為有限元分析方法進(jìn)行實(shí)際運(yùn)用的專用軟件，將建模、可視化、智能化計(jì)算等融合于一體，能夠較準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能優(yōu)劣，本文通過ANSYS Workbenchh專業(yè)的分析模擬軟件，對吊具導(dǎo)向架進(jìn)行分析優(yōu)化，可以節(jié)約大量的人工和經(jīng)濟(jì)成本，從而達(dá)到縮短研發(fā)周期提高研發(fā)效率的目的。

2 吊具導(dǎo)向架的基本參數(shù)

吊具導(dǎo)向架是用型材焊接而成的框架結(jié)構(gòu)，其材料是采用Q235A，其彈性模量2.06×105MPa；密度7 850 kg/m3，材料屈服強(qiáng)度σs=235 MPa。

吊具導(dǎo)向架是采用型材槽鋼、角鋼等焊接而成，高7 130 mm，上端截面3 150 mm×2 600 mm，下端截面3 150 mm×3 150 mm，鋁包重心至框架底部距離3 000 mm，活動框架輪距1 700 mm。

圖1 吊具導(dǎo)向架三維模型

3 吊具導(dǎo)向架的分析優(yōu)化

3.1 吊具導(dǎo)向架的靜力學(xué)分析

3.1.1 三維模型的建立

吊具導(dǎo)向架三維模型見圖1。利用Pro/E自帶的插件EFX鋼結(jié)構(gòu)模塊，對吊具導(dǎo)向架進(jìn)行建模，采用骨架建模的方式，然后選定型材對其進(jìn)行填充。用此方式進(jìn)行建模即節(jié)約了建模速度又節(jié)省了計(jì)算機(jī)資源。

3.1.2 有限元模型的建立

有限元分析過程中，三維建模是非常關(guān)鍵的步驟，按照實(shí)際幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，因?yàn)槠渲幸恍o關(guān)緊要的部分會影響網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和計(jì)算的速度，所以在建模過程中，去掉了影響計(jì)算結(jié)果微小的因素。

圖3 吊具導(dǎo)向架變形云圖

按照設(shè)計(jì)圖紙尺寸將用Pro/E軟件建立的吊具導(dǎo)向架通過Pro/E與ANSYS Workbench之間的無縫連接導(dǎo)入。此模型采用Solid187單元，Solid187由10個節(jié)點(diǎn)定義，每個節(jié)點(diǎn)3個自由度：x、y、z方向。該元素具有空間的任何方向。具有塑性、超彈性、應(yīng)力強(qiáng)化、蠕變、大變形、大應(yīng)變能力。所以Solid187單元可以滿足此計(jì)算的要求。

經(jīng)過網(wǎng)格局部細(xì)分和小結(jié)構(gòu)的具體處理后，最終網(wǎng)格模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為62 022，單元數(shù)為7 406。

圖2 吊具導(dǎo)向架有限元模型

3.1.3 邊界條件

3.1.3.1 約束條件

吊具導(dǎo)向架上部固定在電解車工具小車框架上，所以對吊具導(dǎo)向架頂部把合端進(jìn)行固定約束。

3.1.3.2 載荷條件

大車運(yùn)行速度50 m/min，小車運(yùn)行速度30 m/min，吊具導(dǎo)向架自重6.28 t，吊具重9 t，吊重32 t。將以上條件，轉(zhuǎn)化為力加載在吊具的導(dǎo)向輪與吊具導(dǎo)向架軌道的接觸位置。

3.1.4 結(jié)果及分析

最大變形的位置，見圖3，在下端斜拉鋼的中部。該變形值表示該加強(qiáng)筋在整體框架受力過程中受到擠壓彎曲等作用產(chǎn)生的變形。而整體框架的實(shí)際變形應(yīng)為導(dǎo)軌中線偏移位移值，或者導(dǎo)軌非受力側(cè)變形位移值，該值明顯小于圖中顯示的筋板變形值。

表1 計(jì)算結(jié)果

一般情況下最大合應(yīng)力值通常在固定位置附近出現(xiàn)，本結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值的位置在加強(qiáng)筋與梁的焊接位置，見圖4。主要原因是因?yàn)榫植烤W(wǎng)格密度過大使該位置的應(yīng)力產(chǎn)生奇異。由于整體結(jié)構(gòu)與型材尺寸比值較大，結(jié)構(gòu)主要是分析剛性問題，網(wǎng)格密度只考慮整體變形情況，局部細(xì)微結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中對整體結(jié)構(gòu)的變形的影響很小，不會對整體變形趨勢產(chǎn)生影響，所以未加考慮。并且該應(yīng)力值非常小，亦即表明整體結(jié)構(gòu)在固定端的實(shí)際應(yīng)力較小。故無需細(xì)化局部網(wǎng)格來確定其具體應(yīng)力大小。

圖4 吊具導(dǎo)向架應(yīng)力云圖

3.2 吊具導(dǎo)向架的優(yōu)化

根據(jù)吊具導(dǎo)向架靜力學(xué)的分析結(jié)論，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

由于框架上端固定，但是經(jīng)過現(xiàn)場工作人員反映框架在運(yùn)行過程中存在晃動現(xiàn)象，考慮到是由于下端承受運(yùn)行時的水平作用力而晃動，通過上述計(jì)算，框架的整體剛性較好，為了控制框架晃動頻率和對小車的影響，在框架固定把合端增加緩沖結(jié)構(gòu)，即對框架把合的端部增設(shè)護(hù)板和筋板，并根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)利用Pro/E軟件繪制三維圖，對增加的護(hù)板和筋板進(jìn)行著色處理，見圖5。

圖5 優(yōu)化后的吊具導(dǎo)向架模型

4 結(jié)論

(1) 經(jīng)過計(jì)算所提供的吊具導(dǎo)向架剛強(qiáng)度按照《GB 50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，關(guān)于桁架結(jié)構(gòu)撓度容許值(最大變形值)低于懸臂長度L/400，該結(jié)構(gòu)滿足靜力學(xué)條件。理論計(jì)算無法考慮使用過程的全部因素，關(guān)于該結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)取的撓度值應(yīng)根據(jù)工況和具體要求設(shè)定。

(2) 通過Pro/E軟件中EFX鋼結(jié)構(gòu)模塊對吊具導(dǎo)向架進(jìn)行三維建模，利用ANSYSWorkbench有限元軟件對吊具導(dǎo)向架的應(yīng)力和變形分布狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算，針對其分析結(jié)果對吊具導(dǎo)向架的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)建議，并根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

本文的分析結(jié)果對吊具導(dǎo)向架的設(shè)計(jì)有著重要的意義，并對相似結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)也能起到一定的借鑒作用，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或改進(jìn)提供合理依據(jù)。利用有限元對結(jié)構(gòu)件分析比常規(guī)計(jì)算法更加直觀、準(zhǔn)確可靠。

[1] GB/T3811—2008，起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第四版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4] 陸明萬，羅學(xué)富.彈性力學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

Structure Optimization of Crane Sling Guide Frame of Top Automatic Conveying

ZHANG Shi-jun

The paper makes the three-dimensional model for the sling guide frame of top conveying automatic crane by Pro/E software, calculates and simulates the sling guide frame of top conveying automatic crane by the finite element ANSYS Workbench, obtains the sling guide frame deformation and strength distribution cloud picture, takes structural optimization according to the calculated results of sling guide frame structure. The result of analysis is useful to the similar structure design.

the sling guide frame； finite element； ANSYS Workbench； structural optimization

2015-03-16

張世軍(1962-)，男，遼寧沈陽人，教授級高級工程師，大學(xué)本科，主要從事科技管理和新產(chǎn)品研發(fā)工作，現(xiàn)任中國有色(沈陽)冶金機(jī)械有限公司設(shè)計(jì)研究院院長。

TF821

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1003-8884(2015)04-0023-04