無(wú)斜桿臂架結(jié)構(gòu)三維有限元模型

無(wú)斜桿臂架結(jié)構(gòu)三維有限元模型

0無(wú)斜桿臂架結(jié)構(gòu)無(wú)傾斜臂框架是一種常見(jiàn)的單臂框架類型。本結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于門(mén)座式起重機(jī)和甲板機(jī)（克令臂）的使用。如圖1所示，無(wú)傾斜臂框架主要由兩條主桿（繩子）和幾個(gè)橫向桿組成。主桿和橫桿是由鋼板制成的箱形結(jié)構(gòu)（截面）。橫桿直接連接到主桿，并用角度板覆蓋，以提高連接點(diǎn)的剛性。每個(gè)橫桿之間都被稱為一個(gè)間隙。1多次超靜定結(jié)構(gòu)組合模型內(nèi)力計(jì)算是結(jié)構(gòu)作強(qiáng)度設(shè)計(jì)的先決條件.如果無(wú)斜桿臂架只在俯仰、起升運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)考慮受力時(shí)與其它典型單臂架結(jié)構(gòu)一樣，為“壓桿”模型.主桿截面上的內(nèi)力為軸向壓力.當(dāng)其只在回轉(zhuǎn)平面內(nèi)考慮受力時(shí)，臂架在端部受到一與臂架軸線垂直的水平力P(見(jiàn)圖2).該力一般為起重機(jī)在做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)由于鋼絲繩偏擺在水平方向產(chǎn)生的分力和風(fēng)載.這種情況下臂架受力模型為一個(gè)3×n次超靜定結(jié)構(gòu)(n為節(jié)間數(shù))，弦桿和豎桿都承受彎矩.由于多次超靜定結(jié)構(gòu)求解非常繁瑣，所以在做臂架設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)一般采用基于經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)化模型的“作圖法”.過(guò)程如下:如圖2所示，在主桿彎矩為零處將臂架斷開(kāi)，斷開(kāi)處假設(shè)成鉸點(diǎn).這樣無(wú)斜桿臂架由一個(gè)多次超靜定結(jié)構(gòu)就變成多個(gè)靜定結(jié)構(gòu).如果進(jìn)一步考慮到主桿與臂架中心線夾角很小，主桿截面相同，則可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型.可以認(rèn)為主桿彎矩為零處剛好在每個(gè)節(jié)間的中點(diǎn).這一點(diǎn)假設(shè)成一個(gè)鉸點(diǎn).且每個(gè)鉸點(diǎn)處的支反力的垂直分量Hp(與主桿軸線方向垂直)為臂架在端部受到水平力P的一半.通過(guò)以上假設(shè)，模型很容易用圖解法求出(具體過(guò)程參閱文獻(xiàn)).以上求解過(guò)程雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但是模型求解的正確性必須建立在多個(gè)假設(shè)上.比如主桿與臂架中心線夾角很小，主桿截面相同等.但是目前很多甲板起重機(jī)所使用的無(wú)斜桿臂架主桿截面并不相同，而且主桿與臂架中心線夾角很小的假設(shè)在量化時(shí)過(guò)于模糊，設(shè)計(jì)中無(wú)法嚴(yán)格的界定，所以以上方法存在一定局限性.2有限元模型建立有限元方法可以精確求解超靜定結(jié)構(gòu)，所以無(wú)斜桿臂架結(jié)構(gòu)可以運(yùn)用有限元方法求解.目前很多與無(wú)斜桿臂架類似的結(jié)構(gòu)在利用有限元方法求解時(shí)都采用板翹單元(shell)建立模型.這種方法雖然建模相對(duì)比較精確，但是在網(wǎng)格劃分和加載邊界條件時(shí)存在一定難度，且建立幾何模型時(shí)花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，不利于縮短設(shè)計(jì)時(shí)間周期.本文提出利用只擁有二維平面自由度的梁?jiǎn)卧⒛Ｐ?，使模型大大?jiǎn)化，且計(jì)算精度仍然很高.同時(shí)利用有限元商業(yè)軟件強(qiáng)大的后處理功能可以繪制結(jié)構(gòu)彎矩圖，在設(shè)計(jì)時(shí)為修正和更改提供快速和準(zhǔn)確的依據(jù).2.1幾何單元的使用二維平面梁?jiǎn)卧獡碛卸€(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即沿X,Y兩個(gè)方向的線位移及繞Z軸的角位移.顯然這種單元只能運(yùn)用于求解平面問(wèn)題，正好滿足本文提出的要求.由于單元自由度少，求解簡(jiǎn)單，幾何建模和網(wǎng)格劃分都非常方便.2.2幾何模型建立ANSYS是一款優(yōu)秀的有限元商業(yè)軟件.該軟件擁有龐大的單元庫(kù)，其中Beam3單元就是一種彈性二維梁?jiǎn)卧旅婢突贏NSYS軟件分析建模過(guò)程.建立幾何模型.由于使用梁?jiǎn)卧?，所以幾何模型為線元素，一般按照無(wú)斜桿臂架中線的幾何關(guān)系建立幾何模型.主桿和橫桿的交點(diǎn)是模型的關(guān)鍵點(diǎn).網(wǎng)格劃分.劃分前要給Beam3單元賦予一些重要參數(shù)(截面面積、慣性距、截面高度).劃分網(wǎng)格時(shí)每段線段為一個(gè)單元.邊界條件.模型端部加載集中力P，臂架尾端一邊約束一個(gè)方向自由度，另一邊約束兩個(gè)方向自由度.最后賦予參數(shù)泊松比和彈性模量.2.3基于beam3單元的彎矩求解以一種17m長(zhǎng)，4節(jié)間臂架為例計(jì)算其彎矩.臂架結(jié)構(gòu)截面為箱形，高500mm，寬200mm，鋼板厚度6mm.首先用線元素建立幾何模型.加載Beam3單元，根據(jù)截面形狀輸入?yún)?shù)截面面積8356mm2，慣性距2.5e12，梁高500mm.劃分網(wǎng)格，每段直線設(shè)置為一個(gè)單元.加載邊界條件，臂架端部受力2000N，約束臂架尾端一邊X方向自由度，另一邊X和Y兩方向自由度.最后求解.關(guān)于Beam3單元求解后可以輸出節(jié)點(diǎn)力、彎矩、最大最小應(yīng)力等很多信息.但人們最關(guān)心的是彎矩?cái)?shù)值及分布.因?yàn)橐谄鹬貦C(jī)回轉(zhuǎn)平面內(nèi)求出P引起的截面彎曲應(yīng)力，再與俯仰、起升平面內(nèi)受到的截面壓應(yīng)力疊加.根據(jù)以上思路，結(jié)合ANSYS強(qiáng)大的后處理功能，在后處理時(shí)命令軟件繪制彎矩圖，并標(biāo)注數(shù)值.后處理過(guò)程.輸入命令ETABLE,MI,SMISC,6;ETABLE,MJ,SMISC,12;plls,MI,MJ;繪制彎矩圖.再操作功能菜單PLOTCTRLS>>NUMBERING>>SVALON，標(biāo)稱彎矩?cái)?shù)值.結(jié)果如圖3所示.根據(jù)彎矩圖分析顯然結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處彎矩較大，所以可以從模型中讀出單元節(jié)點(diǎn)彎矩(表1)，供設(shè)計(jì)參考.3優(yōu)化模型的