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MeshFree|桥式起重机分析设计

1年前浏览1810
   起重机作为一种重要的运输设备,广泛应用于港口、码头、堆场、船台和货场等露天工作场合。现阶段应用较多的以桥式、门式、塔式起重机为主,在这些类型的起重机结构中,主梁都是最主要的承重部分,承受着自重及各种工作载荷。所以主梁的安全性能直接决定了起重机整体的工作寿命。近年来,伴随计算机技术的飞速发展,有限元分析在起重机械领域的应用越来越广。但起重机多以薄板结构为主,目前通用的有限元软件多采用板单元进行仿真分析,有时需要进行抽中面操作,还需要不断编辑、清理几何形状以确保网格划分的顺利进行,这部分工作约占整个分析流程的60-70%时间。因此将无网格划分有限元新技术应用于起重机设计过程中,无疑可以大大提高仿真分析效率。
   本文利用无网格划分软件midas MeshFree对主梁在多种工况下的结构强度、刚度进行分析,得到主梁变形和应力的分布以及危险点,为起重机设计提供更多参考。此外,与通用有限元软件midas NFX的对比结果,表明MeshFree对薄板结构采用结构化网格进行有限元分析,可以达到同样的精度,在起重机设计过程中是简单高效可靠的仿真分析手段。
项目概况
该起重机为电动单梁桥式起重机,主梁跨度13m
三维模型
起重机主梁局部示意图(横隔板、工字钢)
   MeshFree基于隐式边界法(ImplicitBoundary Method),不需要进行模型简化和网格划分操作,程序会自动划分出非常规整的结构化网格。只需导入几何模型、添加荷载和边界条件以及后处理三个分析步骤,降低了工程师的使用难度,在保证计算精度的同时,可以大大地缩短产品开发周期,提高生产效率。
材料
均设置为Alloy Steel,由于是线性静力分析,只需要密度、弹性模量、泊松比,分别为7700kg/m3210GPa0.28,材料容许应力235MPa
边界/荷载
两侧挡板施加固定约束
接触:焊接接触,根据实际情况,各实体之间不会发生相对偏移,故采用焊接接触关系(绑定接触)
载荷部分施加重力,对于起升载荷考虑多种工况:工况一(起升载荷在跨中)、工况二(起升载荷在1/4跨)、工况三(起升载荷在梁端),起升载荷大小11t
后处理结果查看
工况一主梁变形和应力结果
工况二主梁变形和应力结果
工况三主梁变形和应力结果
   从结果可以看出,
工况一,主梁的最大变形为5.30mm,最大应力为147.38MPa
工况二,主梁的最大变形为3.90mm,最大应力为162.00MPa
工况三,主梁最大变形为1.20mm,最大应力为108.92MPa
NFX有限元计算
几何清理、简化
 单元特性采用板壳单元(plate),所以在此之前进行抽中间面的操作,并设置实际厚度,以考虑厚度效应。
网格划分
 在网格划分部分,本文采用各个壳体共节点的方式,以代替接触。故需要在前处理部分采用投影的方式,让各个面相连接处产生特征线和特征点,可产生共节点的效果。当然,也可以采用设置接触的方式,以耦合各个面体。然而磨刀不误砍柴工,采用共节点的方式可以避免接触设置中的很多麻烦。

 网格形状以四边形单元为主,同时为保证精度,所有网格采用高阶单元,即在四边形单元的各个边上产生中间节点。


材料与MeshFree一致
边界和荷载

在两侧挡板施加固定约束。载荷部分施加重力,对于起升载荷考虑多种工况:

工况一(起升载荷在跨中)

工况二(起升载荷在1/4跨)

工况三(起升载荷在梁端),起升载荷大小11t

后处理结果查看
工况一主梁变形和应力结果

工况二主梁变形和应力结果

工况三主梁变形和应力结果

 从结果可以看出

工况一;主梁的最大变形为5.169mm,最大应力为147.46MPa

工况二;主梁的最大变形为3.83mm,最大应力为162.50MPa

工况三;主梁最大变形为1.23mm,最大应力为101.88MPa

  由表对比结果,各项误差都在5%以内,表明MeshFree采用的结构化网格在对薄壳结构进行分析时,可以达到精度要求,能够高效指导起重机的设计。
  基于NFXMeshFree的分析结果,主梁的最大挠度始终出现在跨中,同时随着小车向梁端移动,跨中挠度逐渐减小。本文中涉及的起重机主梁跨度为13m,根据《起重机设计规范GBT3811-2008》,许用挠度为f=L/700=18.57mm,故在以上的三种工况下,挠度满足安全要求。

进一步地,无论在哪种工况下,主梁最大应力发生的位置始终在梁端约束处,该位置出现应力集中。

而随着小车由跨中向梁端移动,最大应力呈现先增大后减小的趋势

小车在1/4跨时,最大应力为162.5Mpa

根据许用应力法的校核方式,取安全系数1.34

则材料的许用应力为[σ]=175.37MPa,主梁的强度也满足安全要求

结论及建议

本文利用有限元软件NFX和无网格划分软件MeshFree,通过考虑三种不同工况,对桥式起重机主梁进行了有限元分析,得到了以下结论:
①主梁的最大挠度始终出现在跨中,同时随着小车向梁端移动,跨中挠度逐渐减小,起重机刚度满足安全要求
②主梁最大应力发生的位置始终在梁端约束处,该位置出现应力集中,建议设计生产过程中,对该位置的工艺处理特别关注。如加厚板材,提高焊接工艺等
③在各种运行工况下,起重机梁端的最大应力在许用应力范围内,满足安全要求

MeshFree针对薄板结构采用结构化网格进行计算,能够给出可靠的分析结果,无需进行抽中面、网格划分等前处理工作,降低操作门槛、应用更加简便省时,因而比其他通用有限元软件更具优势

来源:midas机械事业部
通用焊接MeshFreeNFX材料
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首次发布时间:2023-03-22
最近编辑:1年前
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