基于ANSYS的汽车车架结构有限元分析含CAD,CATIA三维

罗彦华

[摘 要]启闭机是在水利水电工程中一种专门用来启闭水工建筑物、发电厂与排灌站的闸门、拦污栅用的起重机械。本文通过对门架的强度和刚度校核，验证该型门式启闭机设计方案的合理性，也验证了有限元分析法的可行性。应用有限元ANSYS分析方法进行门式启闭机设计计算，将会较大地提高设计效率，保证设计质量，降低生产成本，为门式启闭机进一步优化提供理论依据。

[关键词]双向门式启闭机；门架结构；有限元ANSYS；门架强度和刚度校核；结构优化；

中图分类号：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0208-02

引言

随着科技和社会的发展，水电站也得到的迅速的发展，门式启闭机在其中的作用是不可小觑的。门式启闭机是门式起重机在水电站中的应用，属于水电站的专业起重设备，用于启闭闸门、拦污栅等金属设备，它的可靠运行对于保障水电站安全运行是非常重要的。目前国内外广泛应用大型有限元软件ANSYS对门式启闭机门架的初始设计方案进行有限元分析，校验设计方案中是否存在问题，为起重机设计提供理论基础，从而使其结构参数符合启闭机设计规范要求。采用有限元分析的方法进行启闭机门架设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计产品的质量。从而有效地缩短研发周期，降低生产成本，使产品的结构和性能更加合理。本文应用有限元软件ANSYS对门式启闭机门架结构进行强度跟刚度计算分析。

1.门架结构理论分析

启闭机根据结构样式的不同可以分为：门式启闭机、桥式启闭机、卷扬启闭机等。我们这是所要讲到的是门式启闭机，如图1所示。本文所引用的模型是某水电工程坝顶130t双向门式启闭机，此启闭机最大起重量130t，最大跨度为20.5m，最长悬臂为15m。由于作用在启闭机上外载荷众多，工况较复杂，计算分析时只考虑与启闭机结构形式破坏有关的典型工况，就能够确定结构强度与刚度是否满足要求，从而进一步优化结构设计。我们就以以下三种工况计算门架的强度与刚度：1、主钩吊130t时，小车位于上游侧跨外，吊钩中心线与上游侧轨道中心线的距离为9m，大小车同时制动，风平行于大车轨道方向吹，同时考虑门机偏斜运行时的水平侧向力，在此位置计算有效悬臂处（9m）的挠度和门架应力；2、主钩吊110t时，小车位于跨内，吊钩中心线与跨度中心线重合，大小车同时制动，风平行于大车轨道方向吹，同时考虑门机偏斜运行时的水平侧向力，在此位置计算跨中的挠度和门架应力；3、主钩吊60t时，小车位于上游侧跨外，吊钩中心线与上游侧轨道中心线的距离为15m，大小车同时制动，风平行于大车轨道方向吹，同时考虑门机偏斜运行时的水平侧向力，在此位置计算有效悬臂处（15m）的挠度和门架应力。

2.有限元仿真分析

2.1 有限元模型的建立及网格划分

建立正确可靠的有限元分析模型是有限元分析的基础工作，它直接关系到计算结果的正确与否。然而，实际工程问题往往非常复杂，支撑边界形式多样，载荷变化多端，因此就要求在建立计算模型的过程中，作合理必要的简化。由于门架之间的连接基本上都是焊接而成的，在分析整个门架时，可以不考虑焊缝的影响，认为焊缝是符合要求的；钢板为均质，没有制造偏差；简化法兰与螺栓，忽略一些小圆角和凸台，确保再不影响精度的前提下对模型局部细节进行适当的简化。

根据这些简化原则，在ANSYS中对门架进行建模，并选取合适的单元进行受力模拟，门架主体部分由钢板焊接而成，钢板属于板壳结构，不仅会产生平面变形，还会产生空间弯曲扭转的复杂变形，故在建模时对主体结构采用壳单元Shell63进行模拟。Shell63单元具有弯曲和薄膜功能，允许面向和法向载荷。由于集中载荷直接施加到主梁的壳单元上会产生较大的应力集中，故在主梁上加设采用实体单元Solid45的轨道简化模型，并将集中载荷施加到轨道上，避免造成主梁的应力集中。网格的大小及数量直接影响有限元计算的精度和求解的速度。与自由网格相比，映射网格比较规则，计算结果更接近实际，可根据需要生产一定数量、大小确定的单元个数，避免产生特别畸形的单元。在满足设计精度和速度的需求下，取得计算速度和精度的最佳匹配，故采用映射方式对模型进行网格划分。本文重点对主梁金属结构进行分析，为提高计算精度并缩短计算时间，在主梁及主梁与支腿的连接部门采用比较细的网格而在支腿及下横梁部门应用比较粗的网格尺寸。门架系统的有限元模型及网格划分如图2，模型共有51896个节点，53508个单元。根据启闭机常用材料Q345B，其弹性模量E=MPa，泊松比为：μ=0.3，密度为ρ=kg/mm3。

2.2 边界条件及加载

对结构边界约束的模拟是结构分析中必不可少的，根据门式启闭机实际作业情况，将约束施加到启闭机的大车支撑轮处，按一次超静定约束。设置约束的节点见下图3所示。

启闭机下横梁与大车车轮连接座的支承铰接处（A、B、C、D四个点）受到铅垂（Z向）方向的支撑约束；在设置大车行走制动器的两个支腿的连接处受到沿轨道方向（Y向）的制动位移约束；在两边的下横梁与大车车轮连接座的支铰处受到垂直于轨道方向（X向）的大车车轮侧向位移约束；故约束这些方向的位移，释放下横梁与大车车轮连接座的支承铰接处（A、B、C、D四个点）绕X轴、Y轴、Z轴的转动自由度。

启闭机门架自重载荷和门架惯性载荷通过设置自重方向及大车运行方向的线性加速度来实现；小车轮压、满载小车的风载荷及其惯性载荷以集中力的方式施加到轨道的相应位置；主梁风载荷以面力的形式施加在主梁的迎风面上，门机偏斜运行时的水平侧向力在门架的下横梁处以集中力的形式施加。

⑴载荷计算

①门架自重载荷：

门架的自重载荷均匀的分布在结构件上，我们以重力加速度g=9.8m/s？来考虑，由于物品起吊离地或者下降制动时对起重机金属结构的振动影响，启闭机的自重将因出现振动而产生脉冲式增大或减少的动力响应。此自重振动载荷用起升冲击系数φ1乘以启闭机的自重载荷来考虑。根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》的要求，我们取φ1=1.1，故此处输入的重力惯性加速度a=10.78m/s2。

②小车主起升起吊130t（满载）、起升机构起动、运行机构起制动时，小车轮压：

QA/2=196kN；QB/2=274kN；QC/2=207kN；QD/2=293kN；

③满载小车运行机构起制动时，作用在每个小车车轮轮压处的水平惯性载荷为：

H=φ5*m*a/8=2.75kN

④大车运行机构起制动时，门架质量的水平惯性载荷按质量均布在门架结构上，加速度取：

a1=φ5*a =0.147m/s2

⑤启闭机偏斜运行时的水平侧向力：

Ps =1/2*∑R*λ= 258.3kN。

式中；

∑R—产生侧向力一侧最大轮压之和，

∑R=QAmax+QBmax=4133kN

λ—水平侧向力系数，λ=0.125。

⑥门架所受的风载荷的大小：

F门=CKpA=31.3kN

⑦小车所受风载荷的大小；

F小=CKpA=17.8kN

用同样的方法可以求得工况2小车位于跨内，主钩吊110t时；工况3小车位于上游侧跨外，主钩吊60t时启闭机所受的各个外载荷，此处不再一一列举。

2.3 仿真结果及分析

1） 强度与刚度许用值

静态分析包括以下几个方面的内容：⑴结构的强度是否满足要求；⑵校核结构抵抗变形的能力，并为动力学分析等提供相应数据；⑶计算和分析结构在静载荷下的结构特性，优化结构设计，并为其他方面的分析提供资料。

①强度许用值：

根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》、GB/T50017-2003《钢结构设计规范》中对Ⅱ类载荷强度要求，第Ⅱ类载荷强度要求的安全系数为n=1.34，门架大部分板材（除了接头法兰板）均小于16mm，材料主要采用Q345B钢，II类荷许用应力为[σ]=231.3MPa。

②刚度许用值：

根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》中对起重机静态刚度的要求：

需要高定位精度特性的起重机，其跨中垂直挠度许用值[f]=1/1000*S=20500/1000=20.5mm；其跨中水平挠度许用值[f]=1/2000*S=20500/2000=10.25mm

自行式小车（或电动葫芦）位于桥架主梁有效悬臂长度位置时，由额定起升载荷及小车（或电动葫芦）自动载荷在该处产生的垂直静挠度f1与有效悬臂长度L1的关系，推荐为：f1≤1/350*L1，水平方向静挠度f2与有效悬臂长度L1的关系，推荐为：f2≤1/2000*L1。故小车位于9m有效悬臂位置处，门架垂向许用挠度[f]=9000/350=25.7mm，门架水平许用挠度[f]=9000/2000=4.5mm；小车位于15m有效悬臂位置处，门架垂向许用挠度[f]=15000/350=42.9mm，门架水平许用挠度[f]=15000/2000=7.5mm。

根据上述三种计算工况和约束条件对有限元模型进行计算：工况1有限元ANSYS计算结果如图4～图7所示；工况2、工况3有限元ANSYS计算结果图此处省略，不再一一列举。由计算结构可知：各工况最大应力出现在小车位于9m悬臂处起吊130t时，大小为210MPa，小于许用应力231.3MPa，由此可知，结构强度满足使用条件。工况1门架垂直最大挠度为23.4mm，小于此时门架垂直挠度许用值25.7mm；工况2门架跨中最大的垂直挠度为4.9mm，小于门架跨中垂直挠度许用值20.5mm；门架跨中水平最大挠度为5.7mm，小于门架跨中水平挠度许用值10.25mm；工况3门架最大垂直挠度39.7mm，小于门架垂直许用挠度42.9mm；故门架静刚度满足条件。

3.结论

1） 由于门架建模的过程中简化了焊接和实际法兰、凸台等；另外在板与板的空间连接处不可避免地形成尖角，根据弹性理论，尖角处的应力值应该是无穷大的；所以门架主梁与支腿连接处不可避免的会产生应力集中的现象，但实际当中不会产生如此大的应力，因此从总体上来讲，用简化后的模型来进行金属结构有限元分析是保守和偏于安全的。

2） 随着经济与科技的发展，对门式启闭机提出更高的设计要求，传统的理论计算已经不能完全很好地满足现代化的要求，门架作为门式启闭机重要的组成部分，门架设计的成败直接关系到整台门式启闭机的性能，本篇对门式启闭机门架结构进行合理的简化和约束，并施加载荷，在三种不同工况下对门架进行强度和刚度分析，有限元ANSYS做为一种金属钢结构的分析软件，能够比较精确的分析门架的强度与刚度，为理论计算提供一种比较方便快捷的校核方法，同时根据门架应力图和位移图，可以清楚地找到最大应力和最大变形的位置，为臂架优化设计提供理论依据。

参考文献

[1] 张质文、王金诺、程文明等.起重机设计手册[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[2] GB/T3811-2008 起重机设计规范 [S].北京：中国标准出版社，2008.

[3] GB/T50017-2003 钢结构设计规范 [S]北京：中国计划出版社，2003.