Solidworks分析验证起重机三维产品设计教程

一、桁架式起重机的三维建模

  由于具有节约材料、结构简单、受力明确以及迎风面少的特点,桁架式起重机很受港口起重机制造企业的欢迎。但由于其大量使用型材焊接而成,在三维设计和出工程图方面工作量比较大。为了提高设计的效率及便于今后分析,可以在零件环境下,基于SolidWorks的焊接功能,利用多实体进行设计,其设计流程如下。

  见:http://lib.3ddl.net/news_pws/focus/134521.html

  二、产品的设计验证

  对于桁架式起重机,传统的设计方法是对其进行强度、刚度和稳定性计算,以保证起重机的安全可靠。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,且研发周期不能满足高速发展的社会需求。这就有必要找到一种快捷的数值模拟计算方法,比较精确地模拟起重机的实际工况。

  SolidWorksSimulation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、频率分析及扭曲分析等。凭借着快速解算器的强有力支持,用户使用个人计算机就能快速解决复杂计算问题。

  对于起重机,主要承受其本身自重、风载荷、运行冲击载荷及起吊重物的重量。通过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组成,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。例如图6所示的框架结构,采用梁单元可以划分为网格结构,如图7所示。

  图6框架三维模型

图7横梁单元网格结构

在计算刚度时,小车的自重和载荷以集中质量单元的方式加载在相应的节点上。基于这种方法,对模型进行了如下几种工况的分析。

  1.工况一

  小车位于门机跨中,固定刚性支腿和柔性支腿,即对两腿的支撑处进行了6个自由度的完全约束。

  以理想状态计算,材料为Q235,其力学特性分别为:材料密度ρ=7.85x10-6kg/mm3,弹性模量E=2.1x105MPa,泊松比ν=0.3,剪切模量G=8.1x104N/mm2,许用应力177MPa。承受60t的载荷(方向垂直向下),其分析结果如图8和图9所示。结果显示,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。

  图8小车位于门机跨中,承载60t的整机位移分布图

  图9小车位于门机跨中,承载60t的整机应力分布图

  2.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。材料属性与工况一相同,其分析结果如图10所示。结果显示,整机最大等效应力值为110MPa,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。

  图10小车位于门机跨中,承载60t+2t的整机应力分布图

3.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(方向沿方Y向),冲击载荷位于柔性支腿与轨道的接触处。材料属性与工况一相同,其分析结果如图11所示。结果显示,整机最大等效应力值为292MPa,大于材料许用应力177MPa,位于柔性支腿和主梁交接处。这种工况等效于控制系统已经出现问题,大车两腿没有一起运动,造成了扭转,呈现应力过大,如图11所示。

  图11小车位于门机跨中,承载60t+2t的整机应力分布图

  4.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。材料属性与工况一相同,其分析结果如图12所示。结果显示,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。

  图12小车位于门机跨中,承载60t+1.2t+g的整机应力分布图

  5.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。材料属性与工况一相同,其分析结果如图13和图14所示。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。

  图13小车位于门机跨中,承载60t+1.2t的整机应力分布图

  图14小车位于门机跨中,承载60t+1.2t的整机位移分布图

  三、结论与建议

  通过上述计算表明,此桁架起重机装置的强度、静刚度及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,将会导致起重机结构的破坏。所以要避免这种情况的发生。SolidWorks为设计人员提供了设计与分析验证一体化的解决方案,解决了过去长期困扰工程技术人员计算分析困难的问题,帮助设计人员在设计的同时完成工程分析及计算,不但节省了材料用量,还能将设计结果成功把握。

 

 

 

 

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