MeshFree|桥式起重机分析设计
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。 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。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/m3，210GPa，0.28，材料容许应力235MPa。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。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 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。 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。
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
工况二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NFX和MeshFree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④MeshFree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
