朱節(jié)宏

(北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海536000)

0 引言

根據(jù)國家質(zhì)檢總局新修訂的《中華人民共和國特種設(shè)備目錄》，起重機(jī)械仍然是特種設(shè)備的一大類別，包括橋式起重機(jī)、門式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、流動(dòng)式起重機(jī)、門座式起重機(jī)、升降機(jī)、纜索式起重機(jī)、桅桿式起重機(jī)和機(jī)械式提車設(shè)備。起重機(jī)械的設(shè)計(jì)制造、安裝、維修改造，都必須嚴(yán)格按照相關(guān)法律法規(guī)、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后才能投入使用。金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、疲勞設(shè)計(jì)尤其重要，其靜、動(dòng)載及穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)安全性能(可靠性)試驗(yàn)指標(biāo)，必須滿足整機(jī)使用壽命的要求。起重機(jī)械的工作方式具有間歇性、重復(fù)性和周期性［1］，基于這些工作性質(zhì)，主要受理部件必須考慮交變載荷的影響，在實(shí)際起重機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，金屬結(jié)構(gòu)的疲勞壽命計(jì)算是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容，在物理樣機(jī)制造之前進(jìn)行關(guān)鍵零部件疲勞壽命(耐久性)的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，根據(jù)結(jié)構(gòu)受力確定疲勞危險(xiǎn)部位，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，保證結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)部位疲勞強(qiáng)度要求，真實(shí)地預(yù)測產(chǎn)品的壽命，實(shí)現(xiàn)等壽命周期設(shè)計(jì)，從而提高整機(jī)產(chǎn)品的可靠性。

1 橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

1.1 橋式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)及橋架結(jié)構(gòu)的組成

橋式起重機(jī)，又稱“行車”或“天車”，是一種橋架梁通過運(yùn)行裝置直接支承在軌道上的橋架型起重機(jī)，主要由大車、起重小車和橋架組成，取物裝置懸掛在起重小車或葫蘆上，主要應(yīng)用在車間、貨場和倉庫等件雜貨起重、吊裝等場合。本文所設(shè)計(jì)分析的吊鉤橋式起重機(jī)主要用在門橋式起重機(jī)司機(jī)的職業(yè)培訓(xùn)及自動(dòng)化實(shí)操考試，其起升機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)葫蘆，安裝在小車架上，雙主梁與兩邊端梁螺栓固定。橋架結(jié)構(gòu)是橋式起重機(jī)的主要受力構(gòu)件，在一定的工作循環(huán)后，交變載荷的作用容易使材料發(fā)生疲勞破壞，結(jié)構(gòu)失效甚至斷裂，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，因此有必要對橋架結(jié)構(gòu)的疲勞壽命進(jìn)行有效的預(yù)測［2］。橋架結(jié)構(gòu)具體如圖1 所示，整機(jī)部分技術(shù)參數(shù)如表1 所示。

圖1 橋架結(jié)構(gòu)

表1 橋式起重機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 橋架結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算

(1)實(shí)體建模及模型前處理

通過ANSYS Workbench 靜力分析對橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，是為了獲取橋架結(jié)構(gòu)在實(shí)際載荷作用下的最大等效應(yīng)力分布情況，為后續(xù)的應(yīng)力疲勞分析做準(zhǔn)備。前處理過程主要內(nèi)容包括對橋架結(jié)構(gòu)實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?、材料屬性的添加、接觸連接的定義，以及網(wǎng)格的劃分［3］。橋架結(jié)構(gòu)的實(shí)體建模采用的是全參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Creo Parametric 3.0，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)要求進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是偏軌箱型主梁、 端梁和小車架的建模和整個(gè)橋架結(jié)構(gòu)的裝配，走臺(tái)、護(hù)欄和操縱室等與主梁相關(guān)聯(lián)的部件進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，只保留操縱室與主梁下翼板的固定槽鋼，處理后的橋架結(jié)構(gòu)初始模型如圖2 所示，劃分網(wǎng)格后的橋架結(jié)構(gòu)初始模型如圖3 所示，材料屬性見表2。

圖2 簡化后的橋架初始模型

圖3 劃分網(wǎng)格后的橋架結(jié)構(gòu)分析模型

表2 材料屬性

(2)施加載荷及求解

以起重小車位于1/2 跨處為初始位置進(jìn)行Force加載，小車架上表面主要承受電動(dòng)葫蘆的重量(500 kg)和起升機(jī)構(gòu)額定載重(3 000 kg)，橋架主梁下翼板則承受著操縱室、走臺(tái)及護(hù)欄的重量(1 300 kg)，因GB/T5905-2011《起重機(jī) 試驗(yàn)規(guī)范和程序》要求起重機(jī)靜載試驗(yàn)載荷為1.25 倍的最大起重量(橋式起重機(jī))，所以這里起升機(jī)構(gòu)的施加的載荷為3 750 kg。不考慮大車行走機(jī)構(gòu)車輪的實(shí)際受力，所以車輪與大車軌道線接觸簡化為面接觸，且采用Fixed 連接，主梁上小車軌道與小車行走車輪默認(rèn)自動(dòng)約束，主梁與端梁固定位置施加Bonded 約束，具體施加載荷的位置如圖4 所示。經(jīng)過計(jì)算，小車架電動(dòng)葫蘆安裝表面A、B 處的受力為 FA = FB =(3 750 kg + 500 kg) × 9.8 N/kg ÷ 2 = 20 825 N，橋架主梁下翼板操縱室固定槽鋼面C、D 處的受力為FC = FD = 1 300 kg × 9.8 N/kg ÷ 2 = 6 370 N。

橋架結(jié)構(gòu)模型經(jīng)過靜力分析求解，等效應(yīng)力云圖如圖5 所示。從分析結(jié)果可知，橋架結(jié)構(gòu)在上述約束和靜加載條件下，最大等效應(yīng)力值為112.57 MPa，發(fā)生在主梁小車軌道面與車輪接觸的位置。根據(jù)一般靜載條件下，塑性材料安全系數(shù)ns 可取值范圍1.5～2，這里取主梁上小車軌道材料安全系數(shù)ns = 2，其許用應(yīng)力 ［σ］ = σs/ns = 250 MPa/2 = 125 MPa ＞112.57 MPa，另外，小車架所受最大等效應(yīng)力為56.086 MPa，發(fā)生在小車架行走車輪與銷軸接觸位置，端梁所最大等效應(yīng)力為72.239 MPa，發(fā)生在操縱室側(cè)的大車車輪與銷軸接觸部位，兩個(gè)最大等效應(yīng)力都小于其材料許用應(yīng)力117.5 MPa(235 MPa ÷2)，所以該橋架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是滿足設(shè)計(jì)要求的。

圖4 施加載荷位置及大小

圖5 橋架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖

2 橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

2.1 疲勞壽命分析與ANSYS/FE-SAFE

疲勞是在多次重復(fù)變化的動(dòng)載荷作用下，材料或結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值始終低于強(qiáng)度極限就可能出現(xiàn)裂紋甚至斷裂的現(xiàn)象，常用疲勞壽命來表述。疲勞壽命主要用來表征材料產(chǎn)生疲勞裂紋或完全斷裂的載荷歷程，常用的計(jì)算方法是應(yīng)力法，該方法是基于疲勞損傷累計(jì)理論和材料的應(yīng)力-壽命曲線，通過已知或設(shè)定應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，計(jì)算獲取材料或結(jié)構(gòu)的疲勞總壽命［4］。橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的疲勞屬于高周疲勞，所以這里采用的是名義應(yīng)力法進(jìn)行分析，工程實(shí)際中通常以動(dòng)載荷循環(huán)次數(shù)或工作時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)。材料發(fā)生疲勞是一個(gè)復(fù)雜的過程，它跟平均應(yīng)力的大小及分布情況、構(gòu)件尺寸、載荷作用方式及結(jié)構(gòu)表面質(zhì)量都有關(guān)系，手動(dòng)是無法精確計(jì)算或者測量的，所以只有通過計(jì)算機(jī)仿真軟件進(jìn)行疲勞壽命分析，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全壽命設(shè)計(jì)或優(yōu)化，提高整機(jī)的可靠性。

ANSYS/FE-SAFE 就是一款結(jié)構(gòu)疲勞耐久性分析軟件，可對結(jié)構(gòu)、材料進(jìn)行全面的疲勞分析，比如基于S-N 曲線的疲勞分析、 應(yīng)變-壽命的疲勞分析、高溫疲勞分析以及高精度的多軸疲勞分析等。AN SYS/FE-SAFE 疲勞分析過程包括靜力分析、 靜力分析結(jié)果讀入、材料參數(shù)定義、疲勞載荷定義、疲勞計(jì)算及結(jié)果查看等步驟［5］，它能方便地利用ANSYS 軟件強(qiáng)大的前后處理功能，繪制所需疲勞壽命云圖和給定壽命下的安全系數(shù)云圖，實(shí)際上就是基于已知或計(jì)算獲取得到的結(jié)構(gòu)所受載荷，設(shè)定壽命次數(shù)，求最大應(yīng)力是否滿足要求，這就是橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析的主要目的。

2.2 橋架結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析

(1)疲勞載荷及疲勞參數(shù)定義

在FE-SAFE 中讀入ANSYS 橋架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力分析.rst 云圖數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際，Loading Settings 中定義橋架結(jié)構(gòu)所受疲勞載荷歷程系數(shù)為0.118，1，0.118(初始空載，小車架僅承受電動(dòng)葫蘆的重量500kg，該重量占該位置總載荷的0.118)；Time history 的定義則依據(jù)橋架結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作過程，每個(gè)工作循環(huán)從地面空載開始，到額定載重，再到重物通過障礙后落到地面，整個(gè)過程運(yùn)行時(shí)間4 min(該橋式起重機(jī)主要用于職業(yè)培訓(xùn)及操作考試，4 min 為訓(xùn)練及考試合格標(biāo)準(zhǔn))，所以疲勞分析的載荷歷程也根據(jù)起吊、水平運(yùn)行和下放三個(gè)階段的實(shí)際載荷變化歷程完成設(shè)置；接著 Analysis Settings 中，通過 Seeger 算法，在FE-SAFE 材料數(shù)據(jù)庫設(shè)定所用材料近似的材料疲勞數(shù)據(jù)包，該數(shù)據(jù)包包括抗拉強(qiáng)度、彈性模量等數(shù)值，完成材料定義［6］，Surface Finish 的設(shè)定，根據(jù)普通鋼材表面情況定義為 4 μm ＜ Ra ＜ = 16 μm；最后根據(jù)材料疲勞的定義，設(shè)計(jì)壽命(FOS)設(shè)為107 次(當(dāng)材料的疲勞壽命超過107 次循環(huán)時(shí)，就認(rèn)為是無限壽命狀態(tài))，進(jìn)行疲勞壽命分析操作。

(2)疲勞計(jì)算及結(jié)果分析

經(jīng)過FE-SAFE 疲勞計(jì)算后的分析結(jié)果，在Me chanical APDL 后處理器查看可知，該橋架結(jié)構(gòu)對數(shù)疲勞壽命7，也就是壽命次數(shù)是107 次，因此可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命是無限長，在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，該橋架結(jié)構(gòu)是不會(huì)出現(xiàn)疲勞破壞的，疲勞壽命云圖如圖6 所示。此外，給定壽命條件下橋架結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)最小值為1.958，安全系數(shù)是足夠大的，滿足設(shè)計(jì)要求，疲勞安全系數(shù)云圖如圖7 所示。

圖6 疲勞壽命云圖

圖7 疲勞安全系數(shù)云圖

3 結(jié)語

本文首先在Creo Parametric3.0 雙梁橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)建模的基礎(chǔ)上，利用ANSYS Workbench 對橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)線性靜力分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該橋架結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為112.57 MPa，在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，是安全的。接著在ANSYS/FE-SAFE 中對橋架結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力-疲勞壽命分析(強(qiáng)度因子法FOS)，節(jié)點(diǎn)疲勞壽命云圖顯示橋架結(jié)構(gòu)最小疲勞壽命為107 次，節(jié)點(diǎn)疲勞安全系數(shù)云圖顯示橋架結(jié)構(gòu)疲勞安全系數(shù)最小值1.958，大于1，滿足結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。