设计仿真一体化才能真正解决问题！看起重机的问题如何解决

起重机作为工业常用的起重机运输机械，在安全性方面要求很高。一旦出现事故，轻者影响生产，重者危及工作人员的生命。因此，对起重机强度校核和安全性提出很高要求。所以全面提升产品研发能力，缩短新产品的设计周期，分析产品结构，优化产品设计，降低产品的制造成本，以最快的速度和最好的质量满足客户的需要是起重机行业的目标。

一、桁架式起重机的三维建模

桁架式起重机由于节约材料、结构简单、受力明确、迎风面少，所以很受做港口起重机企业的欢迎。由于桁架式起重机大量使用型材焊接而成，所以在三维设计和出工程图方面是比较麻烦的。为了提高设计的效率和便于以后分析，可利用solidworks的焊接功能，在零件环境下，利用多实体进行设计。其设计流程如下：

1、 实施产品模块化设计，焊接轮廓库的建立

由于桁架起重机大量使用型材，所以型材的界面就显得尤为重要。运用solidworks设计库功能，可以把需要的焊接轮廓全部做成焊接轮廓库，放在设计库中，以后需要的时候就可以直接调用。

此焊接轮廓库可以包含经常用到的方钢、矩形管、槽钢、工字钢、圆钢、角钢等。还可以建立自己定义的轮廓，比如企业经常将两个工字钢焊接在一起来做主梁的主要结构，其形状如下图所示：

运用建立的轮廓快速生成结构件

建立好的轮廓库如下图所示：

设计库内容

2、 运用3D草图，提高设计效率

传统的设计软件都是直接从二维草图开始，三维草图效果差，实现困难。而桁架起重机需要的恰恰就是3D结构，以便于结构件的生成。现在solidworks三维设计可以直接从3D草图开始绘制，像桁架门式起重机的骨架就可以直接搭建。而且可以3D草图与2D草图可以相互交替使用。搭建好的3D草图如下图所示：

 3D草图轮廓

3、 使用焊接轮廓直接生成三维模型和工程图

设计好的3D草图，借助于设计好的焊接轮廓库，可以直接快速的生成三维模型。而且所有的结构件都是在零件中自动以多实体的形式表现，不需要转化为装配体状态。还可以定义每个实体的属性，包括材料、重量、长度等，所有的这些属性还可以带到工程图中。由于有焊接实体结构，在工程图中可以直接生成切割清单，也就是企业中经常用到的材料明细表。如下图所示：

 起重机三维模型

 起重机二维加工图纸

二、实现产品的设计验证

对于桁架式起重机,传统的设计方法就是对其进行强度、刚度和稳定性计算,以保证起重机安全可靠。要达到安全设计，比较可靠的办法就是做试验，但是需要大量的试验经费，而且不能满足在高速发展的社会需要。这就有必要找到一种快捷的数值模拟的计算方法，比较精确地模拟起重机的实际工况。

Solidworks simulation是一个与solidworks完全集成的设计分析系统，它提供了单一的屏幕解决方法来进行应力分析、频率分析、扭曲分析等。它凭借着快速解算器的强有力支持，使得能够使用个人计算机快速解决大型问题。

对于起重机，主要承受起重机本身自重，风载荷，运行冲击载荷及起吊重物重量。理论分析可以确定采用结构线性静态分析。由于整机结构系统均由梁结构构成，故采用梁单元。

梁单元是把框架分解成很小的直杆，并应用相似的变形到每个直杆。每个直杆有两个节点，每个节点有6个自由度。

在计算刚度时，小车和载荷以集中质量单元加在相应的节点上。因为采用这种方法，对模型进行了如下几种工况的分析：

工况一：小车位于门机跨中，刚性支腿和柔性支腿固定，即对两腿的支撑处进行了六个自由度的完全约束。

以理想状态计算，材料为Q235，其力学特性为：材料密度

弹性模量

泊松比 0.3，剪切模量81000n/mm^2 ，许用应力177MPa 。承受60T的载荷（方向垂直向下）。其分析结果如下图所示：

小车位于门机跨中，承载60T整机刚度分布图

小车位于门机跨中，承载60T整机强度分布图

整机最大等效应力值为 107MPA，小于材料许用应力 177MPA，位于主梁跨中下方。满足强度和刚度要求。

工况二：小车位于门机跨中，刚性支腿固定，柔性支腿约束X方向和Z方向，Y方向自由（以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向）。承受60T的基本载荷（方向垂直向下）和2T的冲击载荷（方向沿Y向），两个载荷的位置都位于主梁跨中。材料属性和工况一相同。其分析结果如下图所示：

小车位于门机跨中，承载60T 2T整机强度分布图

整机最大等效应力值为 119MPA ，小于材料许用应力 177MPA ，位于主梁跨中下方。满足强度和刚度要求。

工况三：小车位于门机跨中，刚性支腿固定，柔性支腿约束X方向和Z方向，Y方向自由（以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向）。承受60T的基本载荷（方向垂直向下）和2T的冲击载荷（方向沿Y向），冲击载荷位于柔性支腿与轨道的接触处。材料属性和工况一相同。其分析结果如下图所示：

小车位于门机跨中，承载60T h2T整机强度分布图

整机最大等效应力值为 292MPA ，大于材料许用应力 177MPA，位于柔支腿和主梁交接处。这种工况等效于：控制系统出问题。大车两腿没有一起运动，造成扭转，应力过大，出现问题。

工况四：小车位于门机跨中，刚性支腿和柔性支腿均固定（以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向）。承受60T的基本载荷（方向垂直向下）、1.2T的冲击载荷（方向沿X向）和自身的重力载荷g，冲击载荷位于柔性支腿与轨道的接触处。材料属性和工况一相同。其分析结果如下图所示：

 小车位于门机跨中，承载60T 1.2T g整机强度分布图

整机最大等效应力值为128MPA ，小于材料许用应力177MPA，位于主梁跨中下方。满足强度和刚度要求。

工况五：小车位于门机跨中，刚性支腿和柔性支腿均固定（以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向）。承受60T的基本载荷（方向垂直向下）、1.2T的冲击载荷（方向沿X向），冲击载荷位于柔性支腿与轨道的接触处。材料属性和工况一相同。其分析结果如下图所示：

 小车位于门机跨中，承载60T 1.2T整机强度分布图

小车位于门机跨中，承载60T 1.2T整机刚度分布图

整机最大等效应力值为108MPA ，小于材料许用应力177MPA，位于主梁跨中下方。满足强度和刚度要求。

三、结论和建议

通过上述计算表明，此桁架起重机装置的强度、静刚度、动刚度在控制系统没有问题的情况下均满足设计要求。如果控制系统出现问题，就会导致起重机的破坏！所以要避免这种情况的发生。