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桁架門式起重機結構的有限元分析

發布于:2024-01-15 20:23
有限元分析

      桁架門式起重機的金屬結構具有自重輕、迎風面積小、承載能力大等特點,從而得到廣泛使用,尤其是在起重量為中小噸位的門式起重機上的應用最具代表性,同時該類型起重機也是河南省起重機械產業的主導產品。目前我國把起重機械列入特種設備進行安全管理,采取制造許可、型式試驗以及監督檢驗和定期檢驗等手段加強全生命周期內的安全評價,但受技術水平和人才優勢的制約,大量中小企業缺少計算和分析能力,型式試驗機構人員面對大量該類型的起重機也亟須采取一種快速、高效的手段進行核算,而有限元分析技術被認為是目前最有效的手段之一,但在采取有限元分析技術時,筆者發現國內大量論述集中在為解決耗費工作量問題的參數化建模方面,對分析結果的后處理技術介紹較少,為此本文結合起重機設計規范GB/T3811-2008中對起重機金屬結構強度、穩定性的核算規則和驗算要求,對后處理技術的實現做一提煉,供國內同行和起重機制造企業的分析人員參考。
      目前公認的對起重機金屬結構分析有效的工具是有限元分析技術,其分析過程常是建模、求解和后處理。這里的求解就是根據有限元相關技術求解節點位移,進而求解出內力和應力的過程,而求解完成問題后,會把計算結果保存在一個表里面,表的行是單元的編號,表的列是單元的計算結果,如節點位移、節點力、應力、應變等,結合建模過程中單元的基本參數,是可以根據起重機設計規范的要求,分別計算各單元的強度和穩定性,如通過遍歷全部桿件,并根據計算出的內力結果進行比較,就完成了后處理的可視化,流程如圖所示,F在的問題關鍵是起重機設計規范和有限元計算結果的有機結合,也就是所謂后處理,觀察和分析有限元的計算結果,來判定計算是否正確。
      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單元常被用來分析空間桁架結構,運用APDL語言開發后處理的宏文件,提取ANSYS軟件計算的結果,運用我國《起重機設計規范》計算公式,合理簡化后核算起重機結構的強度和穩定性,其中穩定性驗算是空間雙向壓彎構件的梁桿單元在彈性的理論假設下的穩定性分析。
      后處理基本功能包括數據提取和準備、穩定與強度判斷和基本數據輸出三部分。
      正如上所示,ANSYS求解完成問題后,會把計算結果保存在一個表里面,表的行是單元的編號,表的列是單元的計算結果,如節點位移、節點力、應力、應變等,ETABLE 這個命令就是把表中的某個列取出來,賦值給某個自定義的向量,再通過*GET命令可以指定某個具體的單元,就可以把該單元對應計算結果取出來.
      梁的軸力和彎矩是常用的力學參數,Beam188的后處理中提供了線性的應力輸出作為SMISC輸出命令的一部分,命令格式如下:ETABLE,Lab,Item,Comp將單元值生成一個表以便進一步的處理。命令選項解釋:Lab—用戶自定義的表名;Item—選項名稱,這里是 SMISC;Comp—選項的欄目名,見表。
      SMISC 輸出命令的輸出項目對應一個序列號,如 i節點的軸力序號為1,則i節點處的軸力列表命令為“ETABLE,forx_i,SMISC,1”。
      首先要根據金屬材料的屈強比計算許用應力,對于中小噸位的桁架門式起重機常使用Q235b,屈強比0.51~0.63,所以根據文獻,其許用應力計算:[σ]=σsn式中[σ]—鋼材的基本許用應力(MPa);σs—材料的屈服極限(MPa)。n—與載荷組合類別相對應的安全系數;進而獲取單元總數和單元的最小編號,并定義與單元總數維數相同的數組。


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