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摘要：以CS300t门式起重机为例，采用软件ANSYS建立其整机结构有限元模型，在理想的情况下，进行几种工况下的应力计算，得到额定最大载荷作用下起重机的应力应变分布规律，并以此有限元强度分析方法为据优化设计，指导起重机的设计。
关键词：门式起重机；有限元计算；强度分析
引言
由于大型起重机械在港口作业中的重要性质，对起重机械提出了更高的安全行和可靠性要求。门式起重机的金属结构的设计及力学性能对门式起重机的工作至关重要的影响。目前门式起重机的设计校核多采用材料力学的简化方法，这种方法的最大有点是计算量小且使用方便，但其缺点也是比较明显，精确度不高，结构的强度、刚度和稳定性的数据不够充分。而有限元分析方法得在三维模型的基础上，真是的反映门式起重机复杂载荷情况，因此近年来在起重机设计中的应用越来越多。
一、门式起重机有限元建模
（一）门式起重机主要参数
CS300门式起重机主要参数如下：
表1 CS300t门式起重机参数表
图1 CS300t门式起重机总图
（二）有限元模型建立。CS300t造船门式起重机是用钢板焊接而成的箱型结构，所以采用板单元SHELL63模拟起重机的板结构，用梁单元BEAM188模拟起重机的龙筋及管结构。整体模型单元格长度为200，网格数量为136297，节点数为130414。
图2 整机有限元模型图
柔性支腿与主梁之间是通过推力轴承的链接，推力轴承承接主梁与柔性腿，可以使柔性支腿在垂直方向自由旋转见图3。在有限元的模型中用LINK8单元模拟推力轴承的受力形式，LINK8单元特性是只能传递拉力或者压力。
图3 柔腿与主梁的链接
二、结构强度分析
（一）載荷处理及工况选择
作用在该门式起重机上的载荷主要有：起重机金属结构的自重，大、小车运行制动产生的惯性载荷，起升、下降制动的惯性载荷、风载，小车自重及额定起重量，其它设备如电梯、操作室的自重等。
根据门式起重机实际工作状况，刚性支腿和主梁整体整体建模，柔性腿和主梁采用二力杆模拟推力轴承连接形式。具体约束方式见表2所示。起升载荷以均布载荷形式施加到主梁的相应位置上，风载以均布载荷施加到模型中，结构自重根据材料特性由有限元自动求解施加到结构中。
表2 约束用表（注：1表示约束；0表示释放）
图4 台车分布示意图
对该起重机按照第二类载荷组合，即起重机正常工作条件下的最大载荷进行强度计算。结构主要部件均采用Q345C钢；按第二类载荷组合计算时，安全系数取1.34则Q345C钢的许用应力为257MPa。
该起重机有关计算参数如下：
上小车自重180000kg；
下小车自重110000kg；
结构总重972000kg；
起升冲击系数φ1=1.12；
起升动载系数φ2=1.1；
弹性模量：E=206000（MPa）；
泊松比：μ=0.3；
密度7.85x10-9t/mm3；
该起重机计算载荷按照载荷组合分为以下三种：
计算工况1：跨中载荷，上小车各承载150t，下小车承载150t，上下小车相距10m考虑整机自重，1.25倍最大静载加载，计算整机结构应力及位移；
计算工况2：柔腿侧吊载，上小车吊载位置距离柔腿中心线9.5米处， 上小车承载150t，下小车承载150t，上下小车相距10m考虑自重载荷、惯性载荷，1.25倍最大静载加载，计算整机结构应力及位移；
计算工况3：跨中载荷，上小车各承载150t，下小车承载150t，上下小车相距10m，垂直地面有2.5°偏载，风载风速21m/s，计算整机结构应力及位移。
（二）应力计算及位移计算结果
由于篇幅的限制本文只列出工况1应力云图及位移云图：
图5a 工况1整体应力分布云图 图5b 工况1局部应力分布云图
图6a 工况2整体垂直方向位移 图6b 工况2整体水平方向位移
表3三种工况应力计算结果
由表3可看出，3个工况整个结构的最大应力值为209MPa，小于材料的许用应力。
表4三种工况位移计算结果
主梁最大计算静挠度：
式中——主梁初始上拱度，mm。
考虑该起重机起升最大额定起重量（300t）的工作次数较少，在计算起重机由额定起重量和小车自重在主梁跨中引起的垂直静挠度时按工作级别A3～A4考虑，故垂直静挠度应不大于S/700。该起重机跨度S=80000mm，s/700=114.3mm，所以结构静刚度满足要求。
三、结论
本文利用ANSYS有限元分析软件对门式起重机不同工况的结构静强度和静刚度进行了分析，得到结构静强度和静刚度，通过计算强度和刚度满足设计要求。
参考文献：
[1]张质文.起重运输机械[M]. 北京：人民铁道出版社，1985
[2]宁朝阳.桥式起重机箱形主梁优化设计软件[J]. 北京：起重运输机械2006
[3]赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998
[4]李拔周，徐长生.基于ANSYS的100t龙门起重机结构有限元分析[J]. 北京：起重运输机械2007
[5]尚晓江，等. ANSYS 结构有限元分析方法与范例应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.
关键词：门式起重机；有限元计算；强度分析
引言
由于大型起重机械在港口作业中的重要性质，对起重机械提出了更高的安全行和可靠性要求。门式起重机的金属结构的设计及力学性能对门式起重机的工作至关重要的影响。目前门式起重机的设计校核多采用材料力学的简化方法，这种方法的最大有点是计算量小且使用方便，但其缺点也是比较明显，精确度不高，结构的强度、刚度和稳定性的数据不够充分。而有限元分析方法得在三维模型的基础上，真是的反映门式起重机复杂载荷情况，因此近年来在起重机设计中的应用越来越多。
一、门式起重机有限元建模
（一）门式起重机主要参数
CS300门式起重机主要参数如下：
表1 CS300t门式起重机参数表
图1 CS300t门式起重机总图
（二）有限元模型建立。CS300t造船门式起重机是用钢板焊接而成的箱型结构，所以采用板单元SHELL63模拟起重机的板结构，用梁单元BEAM188模拟起重机的龙筋及管结构。整体模型单元格长度为200，网格数量为136297，节点数为130414。
图2 整机有限元模型图
柔性支腿与主梁之间是通过推力轴承的链接，推力轴承承接主梁与柔性腿，可以使柔性支腿在垂直方向自由旋转见图3。在有限元的模型中用LINK8单元模拟推力轴承的受力形式，LINK8单元特性是只能传递拉力或者压力。
图3 柔腿与主梁的链接
二、结构强度分析
（一）載荷处理及工况选择
作用在该门式起重机上的载荷主要有：起重机金属结构的自重，大、小车运行制动产生的惯性载荷，起升、下降制动的惯性载荷、风载，小车自重及额定起重量，其它设备如电梯、操作室的自重等。
根据门式起重机实际工作状况，刚性支腿和主梁整体整体建模，柔性腿和主梁采用二力杆模拟推力轴承连接形式。具体约束方式见表2所示。起升载荷以均布载荷形式施加到主梁的相应位置上，风载以均布载荷施加到模型中，结构自重根据材料特性由有限元自动求解施加到结构中。
表2 约束用表（注：1表示约束；0表示释放）
图4 台车分布示意图
对该起重机按照第二类载荷组合，即起重机正常工作条件下的最大载荷进行强度计算。结构主要部件均采用Q345C钢；按第二类载荷组合计算时，安全系数取1.34则Q345C钢的许用应力为257MPa。
该起重机有关计算参数如下：
上小车自重180000kg；
下小车自重110000kg；
结构总重972000kg；
起升冲击系数φ1=1.12；
起升动载系数φ2=1.1；
弹性模量：E=206000（MPa）；
泊松比：μ=0.3；
密度7.85x10-9t/mm3；
该起重机计算载荷按照载荷组合分为以下三种：
计算工况1：跨中载荷，上小车各承载150t，下小车承载150t，上下小车相距10m考虑整机自重，1.25倍最大静载加载，计算整机结构应力及位移；
计算工况2：柔腿侧吊载，上小车吊载位置距离柔腿中心线9.5米处， 上小车承载150t，下小车承载150t，上下小车相距10m考虑自重载荷、惯性载荷，1.25倍最大静载加载，计算整机结构应力及位移；
计算工况3：跨中载荷，上小车各承载150t，下小车承载150t，上下小车相距10m，垂直地面有2.5°偏载，风载风速21m/s，计算整机结构应力及位移。
（二）应力计算及位移计算结果
由于篇幅的限制本文只列出工况1应力云图及位移云图：
图5a 工况1整体应力分布云图 图5b 工况1局部应力分布云图
图6a 工况2整体垂直方向位移 图6b 工况2整体水平方向位移
表3三种工况应力计算结果
由表3可看出，3个工况整个结构的最大应力值为209MPa，小于材料的许用应力。
表4三种工况位移计算结果
主梁最大计算静挠度：
式中——主梁初始上拱度，mm。
考虑该起重机起升最大额定起重量（300t）的工作次数较少，在计算起重机由额定起重量和小车自重在主梁跨中引起的垂直静挠度时按工作级别A3～A4考虑，故垂直静挠度应不大于S/700。该起重机跨度S=80000mm，s/700=114.3mm，所以结构静刚度满足要求。
三、结论
本文利用ANSYS有限元分析软件对门式起重机不同工况的结构静强度和静刚度进行了分析，得到结构静强度和静刚度，通过计算强度和刚度满足设计要求。
参考文献：
[1]张质文.起重运输机械[M]. 北京：人民铁道出版社，1985
[2]宁朝阳.桥式起重机箱形主梁优化设计软件[J]. 北京：起重运输机械2006
[3]赵经文，王宏钰.结构有限元分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998
[4]李拔周，徐长生.基于ANSYS的100t龙门起重机结构有限元分析[J]. 北京：起重运输机械2007
[5]尚晓江，等. ANSYS 结构有限元分析方法与范例应用[M]. 北京：中国水利水电出版社，2006.