董天東　張占輝

（河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南　鄭州　45500000000）

基于GB/TGB/T38113811的桁架門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析后處理實(shí)現(xiàn)

董天東張占輝

（河南省特種設(shè)備安全檢測(cè)研究院，河南鄭州45500000000）

本文主要論述了桁架門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析后處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，從有限元分析的原理出發(fā)，結(jié)合起重機(jī)械設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008的核算要求，論述了采用APDL語(yǔ)言編程處理桁架門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析的強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算以及結(jié)果輸出文件的處理過程，為更高效地利用有限元對(duì)起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)分析后的計(jì)算結(jié)果提供一種參考，同時(shí)也方便研究人員對(duì)計(jì)算結(jié)果的讀取理解。

桁架門式起重機(jī)；有限元；后處理

桁架門式起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)具有自重輕、迎風(fēng)面積小、承載能力大等特點(diǎn)，從而得到廣泛使用［1］，尤其是在起重量為中小噸位的門式起重機(jī)上的應(yīng)用最具代表性，同時(shí)該類型起重機(jī)也是河南省起重機(jī)械產(chǎn)業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品。目前我國(guó)把起重機(jī)械列入特種設(shè)備進(jìn)行安全管理，采取制造許可、型式試驗(yàn)以及監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)等手段加強(qiáng)全生命周期內(nèi)的安全評(píng)價(jià)，但受技術(shù)水平和人才優(yōu)勢(shì)的制約，大量中小企業(yè)缺少計(jì)算和分析能力，型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)人員面對(duì)大量該類型的起重機(jī)也亟須采取一種快速、高效的手段進(jìn)行核算，而有限元分析技術(shù)被認(rèn)為是目前最有效的手段之一，但在采取有限元分析技術(shù)時(shí)，筆者發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)大量論述集中在為解決耗費(fèi)工作量問題的參數(shù)化建模方面，對(duì)分析結(jié)果的后處理技術(shù)介紹較少，為此本文結(jié)合起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008中對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性的核算規(guī)則和驗(yàn)算要求，對(duì)后處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)做一提煉，供國(guó)內(nèi)同行和起重機(jī)制造企業(yè)的分析人員參考。

1　實(shí)現(xiàn)原理

目前公認(rèn)的對(duì)起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)分析有效的工具是有限元分析技術(shù)，其分析過程常是建模、求解和后處理。這里的求解就是根據(jù)有限元相關(guān)技術(shù)求解節(jié)點(diǎn)位移，進(jìn)而求解出內(nèi)力和應(yīng)力的過程，而求解完成問題后，會(huì)把計(jì)算結(jié)果保存在一個(gè)表里面，表的行是單元的編號(hào)，表的列是單元的計(jì)算結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力、應(yīng)力、應(yīng)變等，結(jié)合建模過程中單元的基本參數(shù)，是可以根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，分別計(jì)算各單元的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，如通過遍歷全部桿件，并根據(jù)計(jì)算出的內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行比較，就完成了后處理的可視化，流程如圖1所示?，F(xiàn)在的問題關(guān)鍵是起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范和有限元計(jì)算結(jié)果的有機(jī)結(jié)合，也就是所謂后處理，觀察和分析有限元的計(jì)算結(jié)果，來判定計(jì)算是否正確。

圖1　后處理分析流程圖

本文以有限元分析軟件ANSYS來論述，在ANSYS 中Beam188作為三維線性有限梁?jiǎn)卧１挥脕矸治隹臻g桁架結(jié)構(gòu)，運(yùn)用APDL語(yǔ)言開發(fā)后處理的宏文件，提取ANSYS軟件計(jì)算的結(jié)果，運(yùn)用我國(guó)《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算公式，合理簡(jiǎn)化后核算起重機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，其中穩(wěn)定性驗(yàn)算是空間雙向壓彎構(gòu)件的梁桿單元在彈性的理論假設(shè)下的穩(wěn)定性分析。

2　后處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)及結(jié)果輸出

后處理基本功能包括數(shù)據(jù)提取和準(zhǔn)備、穩(wěn)定與強(qiáng)度判斷和基本數(shù)據(jù)輸出三部分。

2.1數(shù)據(jù)的提取和準(zhǔn)備

正如上所示，ANSYS求解完成問題后，會(huì)把計(jì)算結(jié)果保存在一個(gè)表里面，表的行是單元的編號(hào)，表的列是單元的計(jì)算結(jié)果，如節(jié)點(diǎn)位移、節(jié)點(diǎn)力、應(yīng)力、應(yīng)變等，ETABLE這個(gè)命令就是把表中的某個(gè)列取出來，賦值給某個(gè)自定義的向量，再通過*GET命令可以指定某個(gè)具體的單元，就可以把該單元對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果取出來。

梁的軸力和彎矩是常用的力學(xué)參數(shù)，Beam188的后處理中提供了線性的應(yīng)力輸出作為SMISC輸出命令的一部分，命令格式如下［2］：

ETABLE，Lab，Item，Comp！將單元值生成一個(gè)表以便進(jìn)一步的處理。

命令選項(xiàng)解釋：

Lab——用戶自定義的表名；

Item——選項(xiàng)名稱，這里是SMISC；

Comp——選項(xiàng)的欄目名，見表1；

表1　BEAM188部分選項(xiàng)名稱、命令與欄目序號(hào)

SMISC輸出命令的輸出項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)序列號(hào)，如i節(jié)點(diǎn)的軸力序號(hào)為1，則i節(jié)點(diǎn)處的軸力列表命令為“ETABLE，forx_i，SMISC，1”。

2.2計(jì)算許用應(yīng)力、復(fù)合應(yīng)力和彎曲應(yīng)力

首先要根據(jù)金屬材料的屈強(qiáng)比計(jì)算許用應(yīng)力，對(duì)于中小噸位的桁架門式起重機(jī)常使用Q235b，屈強(qiáng)比0.51～0.63［3］，所以根據(jù)文獻(xiàn)［3］，其許用應(yīng)力計(jì)算：式中［σ］——鋼材的基本許用應(yīng)力（MPa）；

式中〔σ〕——鋼材的基本許用應(yīng)力（MPa）；

σs——材料的屈服極限（MPa）。

n——與載荷組合類別相對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)；

進(jìn)而獲取單元總數(shù)和單元的最小編號(hào)，并定義與單元總數(shù)維數(shù)相同的數(shù)組P_WSS存儲(chǔ)彎曲應(yīng)力，P_SMISS存儲(chǔ)復(fù)合應(yīng)力。

應(yīng)力計(jì)算代碼如下（K為遍歷到的第K個(gè)桿件單元編號(hào)）：

2.3計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)

穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算是穩(wěn)定性計(jì)算中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，GB/T3811-2008版設(shè)計(jì)規(guī)范中考慮了構(gòu)件的工藝和截面型式對(duì)穩(wěn)定系數(shù)的影響，所以需要用戶根據(jù)截面類別獲取計(jì)算系數(shù)，然后根據(jù)計(jì)算公式求得穩(wěn)定系數(shù)，進(jìn)而求得穩(wěn)定許用應(yīng)力。定義數(shù)組P_EF存儲(chǔ)穩(wěn)定系數(shù)，定義數(shù)組P_BUCKLS為穩(wěn)定許用應(yīng)力，進(jìn)而將公式編入APDL程序即可完成計(jì)算。程序進(jìn)入循環(huán)后依次獲取當(dāng)前單元編號(hào)的長(zhǎng)度、軸應(yīng)力、面積、抗彎模量等數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算長(zhǎng)細(xì)比λ和λn。計(jì)算簡(jiǎn)要代碼如下：

計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)時(shí)，長(zhǎng)細(xì)比不同對(duì)應(yīng)著不同的計(jì)算式，使用判斷語(yǔ)句來選擇計(jì)算公式。判斷及計(jì)算代碼如下：

2.4數(shù)據(jù)文件輸出

數(shù)據(jù)文件的輸出是將上述計(jì)算得到的數(shù)組輸出到某文件供查看的過程。需要使用的APDL宏命令如CFOPEN，CFWRITE等命令，下面以危險(xiǎn)構(gòu)件的判斷與輸出為例，簡(jiǎn)要說明技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

穩(wěn)定計(jì)算中長(zhǎng)度計(jì)算系數(shù)有L_N（3）三種情況，因而每個(gè)單元對(duì)應(yīng)了三種穩(wěn)定許用應(yīng)力。此外，工程中往往需要判斷失穩(wěn)或強(qiáng)度不足的構(gòu)件具體位置和具體截面形式，因此，程序判斷并輸出了構(gòu)件的截面名稱。多次判斷后輸出，簡(jiǎn)要代碼如下：

程序中加入的判斷語(yǔ)段，把每個(gè)單元的復(fù)合應(yīng)力P_SMISS（k）與許用應(yīng)力對(duì)比，軸向應(yīng)力與穩(wěn)定許用應(yīng)力對(duì)比，不滿足強(qiáng)度或穩(wěn)定性的單元標(biāo)記為危險(xiǎn)單元，輸出到文件中供分析者查看，如表2所示。

表2　部分危險(xiǎn)單元數(shù)據(jù)

部件建模的宏文件中已經(jīng)把各部件模型分組，后處理程序利用分組對(duì)每組中的桿件根據(jù)軸向力排序，輸出軸向力最大的10根桿件的受力情況，為設(shè)計(jì)者提供更改模型的數(shù)據(jù)依據(jù)。如主梁的下主弦數(shù)據(jù)如下表3所示：

3　結(jié)論

本文根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范GB/T3811-2008中的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，探討了有限元分析后處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，包括規(guī)范中的強(qiáng)度和剛度計(jì)算方法和軸心受壓和雙向壓彎的穩(wěn)定理論，其中包括許用應(yīng)力、單肢長(zhǎng)細(xì)比、格構(gòu)式構(gòu)件等效長(zhǎng)細(xì)比、歐拉臨界力、穩(wěn)定系數(shù)、穩(wěn)定許用應(yīng)力的計(jì)算方法，并從這些基礎(chǔ)算法中提取出準(zhǔn)確、有效且適用于編程的算式。同時(shí)通過提取ANSYS的單元內(nèi)力，計(jì)算其復(fù)合應(yīng)力完成強(qiáng)度校核。運(yùn)用程序語(yǔ)言，將起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范中的穩(wěn)定計(jì)算理論，結(jié)合ANSYS通用后處理數(shù)據(jù)應(yīng)用于桁架門式起重機(jī)的自動(dòng)化分析與校核，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)判斷桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求。

［1］虞和謙，王金諾，包起帆.起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1998.

［2］ANSYS Element reference V11.0.

［3］GB/T 3811-2008.起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

The Implementation of Finite Element Analysis Post-Processing on Truss-Type Gantry Crane based on GB/T3811

Dong Tiandong Zhang Zhanhui
（Henan Institute of Special Equipment Safety Inspection and Testing，Zhengzhou Henan 450000）

This paper mainly discusses the implementation of finite element analysis post-processing technology on truss-type gantry crane，starting from the principles of finite element analysis，combined with the calculation requirements of the design rules（GB/T 3811-2008）for cranes，describes the process of treating the analyzed strength，stability verification and calculation，and results output of truss-type gantry crane structure by APDL language programming.It provides a reference for a higher efficient using of the calculation results analyzed on the crane mental structure by finite element，and it is also convenient for the researchers to read and understand the calculation results.

truss-type gantry crane；the finite element；post-processing

TH213

A

1003-5168（2015）10-0032-4

2015-9-11

國(guó)家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目電動(dòng)葫蘆門式起重機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)的開發(fā)（2013QK105）。

董天東，男，漢族，工程師，研究方向：特種設(shè)備安全檢驗(yàn)技術(shù)。