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隨著貿(mào)易經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展和港口貨物吞吐量不斷增長，門座起重機(jī)由于其良好的工作性能和通用性，成為港口裝卸作業(yè)不可缺少的重要設(shè)備。門座起重機(jī)的整體金屬結(jié)構(gòu)作為主要的承載部件，由于其露天、腐蝕性的工作環(huán)境以及較高的使用頻率和工作強(qiáng)度，易產(chǎn)生疲勞裂紋、腐蝕等缺陷，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性能，并危及起重機(jī)使用安全。因此，門座起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析并為生產(chǎn)和維修提供依據(jù)，具有十分重要的意義。
傳統(tǒng)的門座起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析多采用力學(xué)計(jì)算方法，由于其設(shè)計(jì)變量較多，受力復(fù)雜，因此計(jì)算量大且較多采用經(jīng)驗(yàn)簡化或估算，勢必影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。有限元分析方法具有建模方便快捷、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的突出優(yōu)點(diǎn)，日益成為起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析廣泛使用的分析方法。
本研究分析的門座起重機(jī)由某水工機(jī)械廠1990年制造安裝，用于某電站建設(shè)施工，1998年起移至某造船廠用于造船用部件和材料的吊運(yùn)。該起重機(jī)自重約377t(含壓重56t)，結(jié)構(gòu)大體可分為上部旋轉(zhuǎn)部分和下部運(yùn)行部分，旋轉(zhuǎn)部分包括臂架系統(tǒng)(由象鼻梁、吊臂、大拉桿、小拉桿、變幅拉桿等組成)、人字架、平衡重、轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)臺(tái)等，通過起升、變幅、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)在環(huán)形圓柱體空間升降物品，運(yùn)行部分主要是由門架和運(yùn)行臺(tái)車組成。其中轉(zhuǎn)柱、門架和臂架系統(tǒng)是門座起重機(jī)最重要的承載構(gòu)件。
根據(jù)門座起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力特點(diǎn)，可把起重機(jī)的轉(zhuǎn)柱結(jié)構(gòu)、門架結(jié)構(gòu)和起重臂一起簡化成空間桿系結(jié)構(gòu)，采用ANSYS提供的空間梁單元BEAM188進(jìn)行離散化，整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分了9,920個(gè)單元、18,717個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要梁單元的截面參數(shù)見表所示。給出了簡化為桿系結(jié)構(gòu)的起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格圖，給出了轉(zhuǎn)柱上部局部網(wǎng)格圖，給出了轉(zhuǎn)柱下部和門架局部網(wǎng)格圖，給出了起重臂局部網(wǎng)格圖。
門座起重機(jī)的型材選用Q235普通鋼，密度為7,800kg/m3，常溫下屈服極限為235MPa，定義彈性模量為2.1X105MPa，泊松比取0.3a。選取起重機(jī)最不利的運(yùn)行工況，分析起重機(jī)在相應(yīng)工況額定最大荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，并作為結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力測試布點(diǎn)的依據(jù)。因此計(jì)算工況選取起重機(jī)處于最小變幅和最大變幅狀態(tài)下兩種計(jì)算工況：C1>最小變幅工況：吊鉤最大荷載60t，計(jì)算彎矩為1,260tm，(2)最大變幅工況:吊鉤最大荷載31t，計(jì)算彎矩為1,260tm，起重機(jī)門架結(jié)構(gòu)的支座固定端全部采用剛性固定，門架與平衡架相連的鉸點(diǎn)采用固定端約束形式，即6個(gè)自由度全部約束。臂架系統(tǒng)與人字架、平衡系統(tǒng)、轉(zhuǎn)柱、轉(zhuǎn)臺(tái)等部件的各鉸點(diǎn)均有不止一個(gè)軸承，且需考慮定位套筒的作用，因此在實(shí)際建模過程中將其處理為繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，使臂架系統(tǒng)在oxy平面內(nèi)可以自由擺動(dòng)。轉(zhuǎn)柱與門架、臂架與鋼絲繩、齒條與拉桿之間可繞Z軸相互轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在oxy平面上對(duì)線位移施加約束。
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