CN111597643A - 适用于起重机小车应力及变形建模分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及起重设备模拟分析技术领域，公开了一种适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，包括小车建模步骤、数据写入步骤和计算分析步骤，是一种通过简化建模，以质量点线面模拟实际小车的部件、以约束方程将各部件模型的接触点进行限制以实现对实际的小车受力、走行情况的应力模拟，辅助检测人员快速客观的进行分析的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法。

Description

适用于起重机小车应力及变形建模分析方法

技术领域

本发明涉及起重设备模拟分析技术领域，尤其涉及一种适用于起重机小车应力及变形建模分析方法。

背景技术

本发明所提及的一种低矮型小车用于起重机尤其是桥式起重机，是安装于桥架主梁结构上部平面的轨道上的一种用于起升的且可以在固定轨道上按规定路径自行行走的核心部件。

低矮型小车由于其结构特殊性，与常规起重小车有着显著差异，小车滑轮梁与行走梁之间为非刚性连接，两个行走梁之间通过与卷筒装置连接为一体形成稳定的框架结构，卷筒安装在两个行走梁之间，减速器安装在卷筒轴上，位于其中一个行走梁的外侧。

由于低矮型小车的结构为非完全的刚性结构，其结构很难用常规的材料力学、结构力学公式进行详细、准确的计算。

在现有技术情况下，筒体拼前拼装只能采用机械+人工方式，横向拼装对中操作极困难，精度极差，因此，目前筒体对接多采用竖拼方式，即先将一节筒体剖口端向上竖放、固定于地面或工装平台上，再用吊车将另一节筒体剖口端朝下吊起，对上下节筒体，通过移动吊车或人工推动方式调整，并在靠尺检测对中精度，确定调整对中偏差与筒间间隙达要求后，在接缝外圆四周均布焊接多个定位块，将上、下节筒体焊接固定成一体，最后将筒体放倒并吊上筒体滚焊台车实施焊接,完成焊接后，经火焰切割去除定位块，并打磨清除焊疤。该方式应用于尺寸小、长度短的筒体对接焊倒还行，但是应用于直径大、重量大、长度长或多节对接焊时就会遇到麻烦，主要有：1、筒节长度过长或多节对焊时，吊车行程局限了筒体对接，且竖拼就需要搭很高拼装平台，操作极不安全；2、对接筒体定位块焊接度难以精确控制，影响对中精度；3、当筒体过重过大时，对接操作需要多人配合，且返工率高；4、定位块焊接与切割清除劳动强度大，同时影响筒体表面质量。

总之，从超长超大型卷筒筒体、风机塔筒体等零件的制造实际应用看来，筒体竖拼对接方式存在需要耗时费力、效率低下、安全风险高等缺陷，不适用长筒对接。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题和不足，本发明旨在于提供一种通过简化建模，以质量点线面模拟实际小车的部件、以约束方程将各部件模型的接触点进行限制以实现对实际的小车受力、走行情况的应力模拟，辅助检测人员快速客观的进行分析的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法。

本发明提供的一种适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

小车建模步骤，通过三维软件对低矮型小车进行结构建模，建模过程中对小车结构进行合理的简化，简化螺栓连接副等结构，将小车包括电动机、减速器、制动器在内的动力传动部件以重心位置简化为质量点；以每个结构部件的每个面实际厚度中性层（即，中心位置所在的层面）作为其对应的建模面，将小车包括定滑轮梁、行走梁、卷筒在内的结构部件进行三维建模，以无厚度的面构成每个部件的面板模型，即模型中各部件之间均没有接触为一体而是呈现相对位置；

数据写入步骤，将经过小车建模步骤建立的模型导入有限元软件中，通过有限元软件对模型中每个结构部件的每个面对应的板体厚度进行定义，板体厚度根据各部位实际尺寸确定；然后通过有限元软件对模型进行网格划分；通过有限元软件中对模型进行载荷加载，在模型的结构部件位置根据各部位实际载荷值进行载荷施加，同时在动力传动部件的位置建立质量点，各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体，将质量点与计算结构连接为一体。

计算分析步骤，通过有限元软件在模型的卷筒筒体表面上绳槽区域施加表面压力，压力方向由表面指向卷筒筒体的圆心轴，并通过有限元软件在模型的定滑轮梁上安装滑轮的位置或者按照实际载荷值与实际载荷方向施加压力；以及通过有限元软件对整个模型施加重力加速度；然后在模型的行走梁上对应安装车轮的位置建立远程点，并对远程点各个方向的自由度进行约束或释放，实现整个模型约束施加，以模拟小车在行走过程中的实际情况；采用有限元软件的默认设置，然后点击计算按钮，实现对模型执行计算。计算完成后，通过计算结果云图查看整体结构或者各子部件的应力及变形分布情况，同时还可以利用有限元软件中梁结果工具实现对查看轴承盖与行走梁之间连接螺栓的内力。

进一步的，所述数据写入步骤中，通过有限元软件，采用手动定义单元尺寸或者软件自动定义尺寸对模型进行网格划分，手动定义单元尺寸的方式具有可效控制单元质量、保证计算结果精度的优势，软件自动定义单元尺寸并划分网格的方式可以减少软件运行效率，但相较于手动方式在精度控制较上有短板，将模型中定滑轮梁中间部分、模型的行走梁与定滑轮梁的接触部分、模型的行走梁中间部分、以及卷筒与行走梁连接部分的网格进行细化。

优选地，所述手动定义单元尺寸，根据结构自身特点及计算精度要求，可定义的单元尺寸为5mm或10mm。

进一步的，所述各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体，由于模型中各部件之间均没有接触为一体而是呈现相对位置，这里以约束方程结合为一体即将所述模型的各部件通过约束方程模拟接触结合为一体，具体的，是将模型中对应实际相接触的两个部件的实际接触面设置局部坐标系，使接触面相互平行，设平面内坐标系平面的法向为轴，两个接触面间的沿轴向移动、绕轴转动、绕轴转动自由度均被限制，沿轴向移动、轴向移动、绕轴转动自由度被释放。

优选地，所述计算分析步骤中，在模型的卷筒筒体表面上绳槽区域施加表面压力的值按照起重小车钢丝绳的实际拉力计算确定p=2s/Dt，式中p为表面压力，S为钢丝绳拉力，t为绳槽节距，D为筒体上绳槽底部直径。

优选地，所述计算分析步骤中，施加重力加速度的值为9850mm/s²。

进一步的，所述计算分析步骤中，在模型的行走梁上对应安装车轮的位置建立远程点，对远程点各个方向的自由度进行约束或释放，实现整个模型约束施加，具体的，假设沿模型在起重设备上的行走方向为x轴，垂直于起重小车行走方向为y轴，垂直于小车行走平面方向或者载荷加载方向的竖直方向为z轴，则可以按照下面方式对行走梁安装车轮位置的四个远程点设置自由度：对两个行走梁上的四个远程点均限制沿z轴方向的移动自由度、对其中一侧行走梁上的两个远程点均限制沿y轴方向的自由度，另一侧行走梁则释放沿y轴方向的移动自由度、对两侧行走梁上对应位置的两个远程点限制沿x轴方向的移动自由度，另外两个远程点释放沿x轴方向的移动自由度，即，确保模型在施加模拟应力的情况下是按照实际场景中情形小车进行x方向的移动以及应力点沿y方向的移动，而不会出现在z方向的跳动和沿着z方向的转动。

与现有技术方案相比，本发明技术方案的中低矮型小车的计算模型为装配式结构，由多个子部件组成，如定滑轮梁为一个子部件（定滑轮梁支撑于两个行走梁上方）、卷筒（含筒体和卷筒轴）为一个子部件（卷筒通过卷筒轴支撑于行走梁规定位置，由轴承盖固定）、行走梁为两个子部件（行走梁位于小车两侧，是两个完全相同的子部件）。用三维软件对低矮型小车进行结构建模，建模过程中对小车结构进行合理的简化，简化螺栓连接副，以重心位置将电动机、减速器、制动器等部件简化为质量点；将用三维软件建好的模型导入有限元软件中，在有限元软件中进行各壳体（面）单元的板厚定义，板厚根据各部位实际尺寸确定；通过有限元软件中对模型进行网格划分，将滑轮梁中间部分、滑轮梁端头与行走梁接触部分、行走梁与滑轮梁接触部分、行走梁中间部分，卷筒与行走梁连接部分等位置的网格进行细化，并且通过限元软件中对模型进行载荷加载，在滑轮梁、卷筒等位置根据各部位实际载荷值进行载荷施加，同时在电动机、减速器、制动器等位置建立质量点，各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体，然后在模型的行走梁上对应安装车轮的位置建立远程点，并对远程点各个方向的自由度进行约束或释放，实现整个模型约束施加，以模拟小车在行走过程中的实际情况；采用有限元软件的默认设置，然后点击计算按钮，实现对模型执行计算。计算完成后，通过计算结果云图查看整体结构或者各子部件的应力及变形分布情况，同时还可以利用有限元软件中梁结果工具实现对查看轴承盖与行走梁之间连接螺栓的内力，本发明的这种方案，已经运用于某大型工程的桥机上低矮型小车的计算中，经过型式试验、实际工程应用，本方案的这种方案能够很好的实现对实际的小车受力、走行情况的应力模拟，辅助检测人员快速客观的进行分析。

附图说明

本发明的前述和下文具体描述在结合以下附图阅读时变得更清楚，附图中：

图1为本发明起重机小车的模型结构示意图；

图2为本发明起重机小车模型滚筒和形走梁安装结构的示意图；

图3为本发明起重机小车定滑轮梁与形走梁安装结构的示意图；

图4为本发明起重机小车定滑轮梁结构示意图；

图5为本发明起重机小车模型和约束方程建立远程点的示意图。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明实现本发明目的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

作为本发明一种具体的实施方案，公开了一种适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，包括小车建模步骤、数据写入步骤和计算分析步骤，通过简化建模，以质量点线面模拟实际小车的部件、以约束方程将各部件模型的接触点进行限制以实现对实际的小车受力、走行情况的应力模拟，辅助检测人员快速客观的进行分析，具体的：

所述小车建模步骤，如图1-4，低矮型小车的计算模型为装配式结构，由多个子部件组成，如定滑轮梁为一个子部件（定滑轮梁支撑于两个行走梁上方）、卷筒（含筒体和卷筒轴）为一个子部件（卷筒通过卷筒轴支撑于行走梁规定位置，由轴承盖固定）、行走梁为两个子部件（行走梁位于小车两侧，是两个完全相同的子部件）。

通过三维软件对低矮型小车进行结构建模，建模过程中对小车结构进行合理的简化，简化螺栓连接副等结构，如图5，将小车包括电动机、减速器、制动器在内的动力传动部件以重心位置简化为质量点；以每个结构部件的每个面实际厚度中性层（即，中心位置所在的层面）作为其对应的建模面，将小车包括定滑轮梁、行走梁、卷筒在内的结构部件进行三维建模，以无厚度的面构成每个部件的面板模型，即模型中各部件之间均没有接触为一体而是呈现相对位置；

所述数据写入步骤，将经过小车建模步骤建立的模型导入有限元软件中，通过有限元软件对模型中每个结构部件的每个面对应的板体厚度进行定义，板体厚度根据各部位实际尺寸确定；然后通过有限元软件对模型进行网格划分；通过有限元软件中对模型进行载荷加载，在模型的结构部件位置根据各部位实际载荷值进行载荷施加，同时在动力传动部件的位置建立质量点，各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体，将质量点与计算结构连接为一体。

更具体的，在有限元软件中对模型进行载荷加载，在滑轮梁、卷筒等位置根据各部位实际载荷值进行载荷施加，同时在电动机、减速器、制动器等位置建立质量点，各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体；而定滑轮梁与行走梁之间的约束方式采用非固定、非焊接等方式，采用接触的方式将定滑轮梁与行走梁结合为可执行计算的多体结构；所述定滑轮梁与行走梁之间在接触面位置取实际接触区域设置体—体间的平面约束关系，即将两者的实际接触面设置局部坐标系（两个接触面为相互平行，设平面内坐标系为x轴，y轴，平面法向为z轴），两个接触面间的沿轴向移动、绕轴转动、绕轴转动自由度均被限制，沿轴向移动、轴向移动、绕轴转动自由度被释放；所述定滑轮梁与行走梁之间设定的接触关系可以达到与实际情况一致的效果，接触面间可以相互滑动，相互保持平行关系。

而卷筒与行走梁之间在实际安装位置设置约束方程，首先选定滚动轴承位置，其次分别在卷筒轴的轴承位置建立远程点、行走梁轴承位置建立远程点、轴承盖的轴承位置建立远程点，最后将轴承位置卷筒轴的远程点、行走梁的远程点和轴承盖的远程点建立位置关系方程，即沿轴向位移、轴向位移、轴向位移均相同；

卷筒与行走梁之间设定的约束方程可以达到与实际情况一致的效果，安装位置的移动和转动一致；如图3，轴承盖与行走梁之间通过安装螺栓孔（合理简化模型，去掉螺栓）建立体—体间的梁连接关系，通过软件设置，在轴承盖和行走梁之间对应的两个孔（实际为两个孔之间通过螺栓连接）之间建立模拟的梁代替螺栓，这里轴承盖与行走梁之间设定的梁连接关系可以达到与实际情况一致的效果，可以有效、准确的计算螺栓内力。

所述计算分析步骤，通过有限元软件在模型的卷筒筒体表面上绳槽区域施加表面压力，压力方向由表面指向卷筒筒体的圆心轴，并通过有限元软件在模型的定滑轮梁上安装滑轮的位置或者按照实际载荷值与实际载荷方向施加压力；以及通过有限元软件对整个模型施加重力加速度；然后在模型的行走梁上对应安装车轮的位置建立远程点，并对远程点各个方向的自由度进行约束或释放，实现整个模型约束施加，以模拟小车在行走过程中的实际情况；采用有限元软件的默认设置，然后点击计算按钮，实现对模型执行计算。计算完成后，通过计算结果云图查看整体结构或者各子部件的应力及变形分布情况，同时还可以利用有限元软件中梁结果工具实现对查看轴承盖与行走梁之间连接螺栓的内力。

实施例2

在上述实施例1技术方案的基础上，进一步的，所述数据写入步骤中，通过有限元软件，采用手动定义单元尺寸或者软件自动定义尺寸对模型进行网格划分，手动定义单元尺寸的方式具有可效控制单元质量、保证计算结果精度的优势，软件自动定义单元尺寸并划分网格的方式可以减少软件运行效率，但相较于手动方式在精度控制较上有短板，将模型中定滑轮梁中间部分、模型的行走梁与定滑轮梁的接触部分、模型的行走梁中间部分、以及卷筒与行走梁连接部分的网格进行细化。

优选地，所述手动定义单元尺寸，根据结构自身特点及计算精度要求，可定义的单元尺寸为5mm或10mm。

更进一步的，所述各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体，由于模型中各部件之间均没有接触为一体而是呈现相对位置，这里以约束方程结合为一体即将所述模型的各部件通过约束方程模拟接触结合为一体，具体的，是将模型中对应实际相接触的两个部件的实际接触面设置局部坐标系，使接触面相互平行，设平面内坐标系平面的法向为轴，两个接触面间的沿轴向移动、绕轴转动、绕轴转动自由度均被限制，沿轴向移动、轴向移动、绕轴转动自由度被释放。

优选地，所述计算分析步骤中，在模型的卷筒筒体表面上绳槽区域施加表面压力的值按照起重小车钢丝绳的实际拉力计算确定p=2s/Dt，式中p为表面压力，S为钢丝绳拉力，t为绳槽节距，D为筒体上绳槽底部直径。

优选地，所述计算分析步骤中，施加重力加速度的值为9850mm/s²。

进一步的，所述计算分析步骤中，在模型的行走梁上对应安装车轮的位置建立远程点，对远程点各个方向的自由度进行约束或释放，实现整个模型约束施加，具体的，如图5，假设沿模型在起重设备上的行走方向为x轴，垂直于起重小车行走方向为y轴，垂直于小车行走平面方向或者载荷加载方向的竖直方向为z轴，则可以按照下面方式对行走梁安装车轮位置的四个远程点设置自由度：对两个行走梁上的四个远程点均限制沿z轴方向的移动自由度、对其中一侧行走梁上的两个远程点均限制沿y轴方向的自由度，另一侧行走梁则释放沿y轴方向的移动自由度、对两侧行走梁上对应位置的两个远程点限制沿x轴方向的移动自由度，另外两个远程点释放沿x轴方向的移动自由度，即，确保模型在施加模拟应力的情况下是按照实际场景中情形小车进行x方向的移动以及应力点沿y方向的移动，而不会出现在z方向的跳动和沿着z方向的转动。

Claims (7)

1.适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

小车建模步骤，通过三维软件对低矮型小车进行结构建模，将小车包括电动机、减速器、制动器在内的动力传动部件以重心位置简化为质量点；以每个结构部件的每个面实际厚度中性层作为其对应的建模面，将小车包括定滑轮梁、行走梁、卷筒在内的结构部件进行三维建模，以无厚度的面构成每个部件的面板模型；

数据写入步骤，将经过小车建模步骤建立的模型导入有限元软件中，通过有限元软件对模型中每个结构部件的每个面对应的板体厚度进行定义，板体厚度根据各部位实际尺寸确定；然后通过有限元软件对模型进行网格划分；通过有限元软件中对模型进行载荷加载，在模型的结构部件位置根据各部位实际载荷值进行载荷施加，同时在动力传动部件的位置建立质量点，各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体，将质量点与计算结构连接为一体；

计算分析步骤，通过有限元软件在模型的卷筒筒体表面上绳槽区域施加表面压力，压力方向由表面指向卷筒筒体的圆心轴，并通过有限元软件在模型的定滑轮梁上安装滑轮的位置或者按照实际载荷值与实际载荷方向施加压力；以及通过有限元软件对整个模型施加重力加速度；然后在模型的行走梁上对应安装车轮的位置建立远程点，并对远程点各个方向的自由度进行约束或释放，以模拟小车在行走过程中的实际情况；采用有限元软件对模型执行计算，通过计算结果云图查看整体结构或者各子部件的应力及变形分布情况。

2.如权利要求1所述的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于：所述数据写入步骤中，通过有限元软件，采用手动定义单元尺寸或者软件自动定义尺寸对模型进行网格划分，将模型中定滑轮梁中间部分、模型的行走梁与定滑轮梁的接触部分、模型的行走梁中间部分、以及卷筒与行走梁连接部分的网格进行细化。

3.如权利要求3所述的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于：所述手动定义单元尺寸，根据结构自身特点及计算精度要求，可定义的单元尺寸为5mm或10mm。

4.如权利要求1、2或3所述的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于：所述各质量点与实际部件的安装位置以约束方程结合为一体，以约束方程结合为一体即将所述模型的各部件通过约束方程模拟接触结合为一体，具体的，是将模型中对应实际相接触的两个部件的实际接触面设置局部坐标系，使接触面相互平行，设平面内坐标系平面的法向为轴，两个接触面间的沿轴向移动、绕轴转动、绕轴转动自由度均被限制，沿轴向移动、轴向移动、绕轴转动自由度被释放。

5.如权利要求1所述的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于：所述计算分析步骤中，在模型的卷筒筒体表面上绳槽区域施加表面压力的值按照起重小车钢丝绳的实际拉力计算确定批p=2s/Dt，式中p为表面压力，S为钢丝绳拉力，t为绳槽节距，D为筒体上绳槽底部直径。

6.如权利要求1或5所述的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于：所述计算分析步骤中，施加重力加速度的值为9850mm/s²。

7.如权利要求1或5所述的适用于起重机小车应力及变形建模分析方法，其特征在于：所述计算分析步骤中，在模型的行走梁上对应安装车轮的位置建立远程点，对远程点各个方向的自由度进行约束或释放，实现整个模型约束施加，具体的，假设沿模型在起重设备上的行走方向为x轴，垂直于起重小车行走方向为y轴，垂直于小车行走平面方向或者载荷加载方向的竖直方向为z轴，则可以按照下面方式对行走梁安装车轮位置的四个远程点设置自由度：对两个行走梁上的四个远程点均限制沿z轴方向的移动自由度、对其中一侧行走梁上的两个远程点均限制沿y轴方向的自由度，另一侧行走梁则释放沿y轴方向的移动自由度、对两侧行走梁上对应位置的两个远程点限制沿x轴方向的移动自由度，另外两个远程点释放沿x轴方向的移动自由度。

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