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摘 要：桥式起重机主梁在桥式起重机中是主要的承载机构。通过UG软件建立主梁结构的模型，然后对已经建立的主梁模型进行简化并且导入ANSYS软件中。运用ANSYS软件进行力学分析，获得了在满足桥式起重机工作条件、工作负载、工作强度的情况下的起重机主梁结构的最优结果，通过改变梁的截面尺寸、使用鱼腹梁等方式，达到了降低起重机成本、减轻了主梁自重的效果。
关键词：桥式起重机；UG建模；ANSYS分析
0引言
桥式起重机主要由桥架、大车移动机构、提升机构、操控系统四部分组成[1]，桥架为整个起重机的金属框架，这就要求桥架能承受定量的载荷、扭矩等，这样才能保证生产人员在生产过程中的安全。其中桥架之中最重要的就是主梁，主梁一般为箱式结构。从力学性能上看为了降低最大弯曲变形，通常主梁制作为微拱形。
1三维模型的建立
双梁式起重机是比较常用的类型，通过建立双梁式起重机的三维模型来表述起重机的基本结构。利用UG11.0软件建立的起重机的三维模型如下图所示。
图1 起重机三维模型
从模型中可以看出起重机主要由主梁、小车轨道、端梁、小车移动机构、提升机构组成。从图中很明显看出主梁是主要的承重构件。按照力学模型简化的思想主梁应该简化成简支梁，主要产生弯曲变形。在较大的载荷作用下在主梁中心处将有较大的挠度，从而影响主梁沿轨道的运动轨迹并且容易在较大变形处产生裂纹，将是十分危险的现象，由于实际受力情况较复杂，手工计算不能满足条件，需要借助于力学分析软件ANSYS进行仿真分析。
2模型简化与网格划分
由于ANSYS中采用自由网格划分，系统默认应力集中的点会自动加密所有连接部位的网格，而外载都加载在网格的节点上，如果直接导入建好的图1所示的三维模型进行网格划分时会产生很大的誤差，因此需要对主梁的结构进行简化，保留主要结构，忽略次要结构如隔板加强筋等得到的主梁的力学模型简图如图2所示，具体分析步骤如下：
2.1模型简化
在UG软件建立主梁的简化模型，然后更改文件格式后将模型导入ANSYS软件中。将ANSYS中的主梁模型进行优化处理，简化掉的部分有隔板，加强筋等部分，得到下图2模型。
图2 起重机主梁简化三维模型
2.2设置桥式起重机的各项参数
（1）材料的选择：Q235[2]
（2）额定起重量：125吨
（3）跨度：26.5米
（4）弹性模量：E=2.06e11pa
（5）泊松比：u=0.3
2.3网格划分
对于有限元分析来说，网格划分是至关重要的步骤之一，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。在ANSYS中，网格划分有三个步骤：定义单元属性（包括实常数）、在几何模型上定义网格属性、划分网格。文章中采用自由网格划分这种自动化程度最高的网格划分技术，利用ANSYS的SMARTSIZE命令来自动控制网格的大小和疏密分布，由于这种方法对于三维复杂模型只能生成四面体单元，为了获得较好的计算精度，所以采用二次四面体单元（92号单元）。对导入模型进行网格划分得到下图3所示的结果。
图3 网格划分图
3载荷施加与结果分析
在ANSYS中，不同学科的载荷也是不一样的，大致分为六类：DOFconstraint（DOF约束）、Force（集中载荷或力载荷）、Surface load（表面载荷）、Body load（体积载荷）、Inertia loads（惯性力载荷）、Coupled-fied loads（耦合场载荷）。在本文中施加集中载荷、自重载荷等[3]。
3.1施加集中载荷
梁的中间位置是集中载荷的受力点，在小车车轮与小车轨道的接触点上，考虑到实际的各种因素，集中在一点的载荷会被看做附近的几个节点的共同载荷。载荷方向垂直于主梁向下。
3.2施加自重载荷
自身的重量，在ANSYS软件中的材料属性中添加材料密度，所以只需要后续填充重力加速度的大小、方向即可。
加载之后得到主梁的受力图如下图所示：
图4 主梁受力图
主梁的受力效果云图如下所示
图5 主梁受力的效果云图
由图5我们可以明确的看出主梁的最大位移是0.028549mm，节点等效应力结果中最大的解为0.511e9Mpa，节点等效应力结果中最小的解为0.128e8Mpa。主梁的危险截面在主梁的两端以及主梁的中间部位，应该在梁的两端以及梁的中间位置添加加强板或者主梁使用鱼腹梁的形式。还可以看出在主梁在额定载荷施加的力的情况之下符合设计要求。
4结语
本次通过利用ANSYS软件进行主梁的优化计算有效地利用软件的数据分析能力。对于起重机主梁优化计算的计算效率大大地升高。以减少主梁自重和提高主梁的稳定性、安全性为目标。研究桥式起重机主梁势在必行，这是源于桥式起重机被使用在各行各业。主梁的优化会造成国内科学技术的进步，而且还大大节约了主梁对钢材的浪费。
此次对起重机主梁的研究提高了主梁的稳定性、安全性，并且提高了主梁的抗弯矩、抗扭矩能力。运用ANSYS软件应用程序开发语言[4]对起重机主梁进行分析。能够看出主梁的危险截面在梁的危险截面在主梁的两端以及主梁的中间部位，可以在中间添加腹板加强板，为了减少主梁的弯曲变形可以适当增大主梁的界面尺寸或者改变主梁的截面形状。
参考文献：
[1]汪建中.起重机桥架跨距改制工艺[J].起重运输机械，2001.
[2]张波，盛和太. ANSYS 有限元数值分析原理与工程应用.清华大学出社，2005.
[3]王勖成.有限单元法.清华大学出版社，2004.
[4]赵家英，刘成钧.桥式起重机工作原理与操作.科学普及出版社，1982.
作者简介：
周晓萍（1986—），女，山东蓬莱人，助教，主要从事机械结构的优化设计。
关键词：桥式起重机；UG建模；ANSYS分析
0引言
桥式起重机主要由桥架、大车移动机构、提升机构、操控系统四部分组成[1]，桥架为整个起重机的金属框架，这就要求桥架能承受定量的载荷、扭矩等，这样才能保证生产人员在生产过程中的安全。其中桥架之中最重要的就是主梁，主梁一般为箱式结构。从力学性能上看为了降低最大弯曲变形，通常主梁制作为微拱形。
1三维模型的建立
双梁式起重机是比较常用的类型，通过建立双梁式起重机的三维模型来表述起重机的基本结构。利用UG11.0软件建立的起重机的三维模型如下图所示。
图1 起重机三维模型
从模型中可以看出起重机主要由主梁、小车轨道、端梁、小车移动机构、提升机构组成。从图中很明显看出主梁是主要的承重构件。按照力学模型简化的思想主梁应该简化成简支梁，主要产生弯曲变形。在较大的载荷作用下在主梁中心处将有较大的挠度，从而影响主梁沿轨道的运动轨迹并且容易在较大变形处产生裂纹，将是十分危险的现象，由于实际受力情况较复杂，手工计算不能满足条件，需要借助于力学分析软件ANSYS进行仿真分析。
2模型简化与网格划分
由于ANSYS中采用自由网格划分，系统默认应力集中的点会自动加密所有连接部位的网格，而外载都加载在网格的节点上，如果直接导入建好的图1所示的三维模型进行网格划分时会产生很大的誤差，因此需要对主梁的结构进行简化，保留主要结构，忽略次要结构如隔板加强筋等得到的主梁的力学模型简图如图2所示，具体分析步骤如下：
2.1模型简化
在UG软件建立主梁的简化模型，然后更改文件格式后将模型导入ANSYS软件中。将ANSYS中的主梁模型进行优化处理，简化掉的部分有隔板，加强筋等部分，得到下图2模型。
图2 起重机主梁简化三维模型
2.2设置桥式起重机的各项参数
（1）材料的选择：Q235[2]
（2）额定起重量：125吨
（3）跨度：26.5米
（4）弹性模量：E=2.06e11pa
（5）泊松比：u=0.3
2.3网格划分
对于有限元分析来说，网格划分是至关重要的步骤之一，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。在ANSYS中，网格划分有三个步骤：定义单元属性（包括实常数）、在几何模型上定义网格属性、划分网格。文章中采用自由网格划分这种自动化程度最高的网格划分技术，利用ANSYS的SMARTSIZE命令来自动控制网格的大小和疏密分布，由于这种方法对于三维复杂模型只能生成四面体单元，为了获得较好的计算精度，所以采用二次四面体单元（92号单元）。对导入模型进行网格划分得到下图3所示的结果。
图3 网格划分图
3载荷施加与结果分析
在ANSYS中，不同学科的载荷也是不一样的，大致分为六类：DOFconstraint（DOF约束）、Force（集中载荷或力载荷）、Surface load（表面载荷）、Body load（体积载荷）、Inertia loads（惯性力载荷）、Coupled-fied loads（耦合场载荷）。在本文中施加集中载荷、自重载荷等[3]。
3.1施加集中载荷
梁的中间位置是集中载荷的受力点，在小车车轮与小车轨道的接触点上，考虑到实际的各种因素，集中在一点的载荷会被看做附近的几个节点的共同载荷。载荷方向垂直于主梁向下。
3.2施加自重载荷
自身的重量，在ANSYS软件中的材料属性中添加材料密度，所以只需要后续填充重力加速度的大小、方向即可。
加载之后得到主梁的受力图如下图所示：
图4 主梁受力图
主梁的受力效果云图如下所示
图5 主梁受力的效果云图
由图5我们可以明确的看出主梁的最大位移是0.028549mm，节点等效应力结果中最大的解为0.511e9Mpa，节点等效应力结果中最小的解为0.128e8Mpa。主梁的危险截面在主梁的两端以及主梁的中间部位，应该在梁的两端以及梁的中间位置添加加强板或者主梁使用鱼腹梁的形式。还可以看出在主梁在额定载荷施加的力的情况之下符合设计要求。
4结语
本次通过利用ANSYS软件进行主梁的优化计算有效地利用软件的数据分析能力。对于起重机主梁优化计算的计算效率大大地升高。以减少主梁自重和提高主梁的稳定性、安全性为目标。研究桥式起重机主梁势在必行，这是源于桥式起重机被使用在各行各业。主梁的优化会造成国内科学技术的进步，而且还大大节约了主梁对钢材的浪费。
此次对起重机主梁的研究提高了主梁的稳定性、安全性，并且提高了主梁的抗弯矩、抗扭矩能力。运用ANSYS软件应用程序开发语言[4]对起重机主梁进行分析。能够看出主梁的危险截面在梁的危险截面在主梁的两端以及主梁的中间部位，可以在中间添加腹板加强板，为了减少主梁的弯曲变形可以适当增大主梁的界面尺寸或者改变主梁的截面形状。
参考文献：
[1]汪建中.起重机桥架跨距改制工艺[J].起重运输机械，2001.
[2]张波，盛和太. ANSYS 有限元数值分析原理与工程应用.清华大学出社，2005.
[3]王勖成.有限单元法.清华大学出版社，2004.
[4]赵家英，刘成钧.桥式起重机工作原理与操作.科学普及出版社，1982.
作者简介：
周晓萍（1986—），女，山东蓬莱人，助教，主要从事机械结构的优化设计。