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隨著目前國內(nèi)架橋技術(shù)的發(fā)展，大型橋梁結(jié)構(gòu)件的吊裝重量越來越大，對(duì)大型全回轉(zhuǎn)架梁起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的承載能力也提出更高的要求，使用有限元分析法對(duì)起重機(jī)設(shè)備進(jìn)行分析計(jì)算在國內(nèi)逐漸普及。文獻(xiàn)應(yīng)用ANSYS分別對(duì)1 300ｔ浮式起重機(jī)、龍門起重機(jī)、塔帶機(jī)和龍門架起重機(jī)等進(jìn)行有限元分析；文獻(xiàn)對(duì)輪胎式集裝箱龍門起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及疲勞進(jìn)行理論和程序上的研究。本文所設(shè)計(jì)的全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)屬于國內(nèi)大起重力矩的單臂架全回轉(zhuǎn)式安裝起重機(jī)，其起重力矩可達(dá)到1 600t.m。在設(shè)計(jì)過程中，按照該起重機(jī)的實(shí)際工作狀況，根據(jù)GB3811—1983《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)要求，使用ANSYS進(jìn)行求解，并及時(shí)將計(jì)算結(jié)果反饋用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)思路的可行性，并為設(shè)計(jì)改進(jìn)提供有效方案。
起重機(jī)的工作原理為：進(jìn)入作業(yè)狀態(tài)后，上部結(jié)構(gòu)可通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)進(jìn)行吊裝作業(yè)，下部結(jié)構(gòu)與橋面軌道錨固為一體；當(dāng)進(jìn)入非作業(yè)狀態(tài)時(shí)，整機(jī)通過油缸驅(qū)動(dòng)滑靴在軌道上滑動(dòng)完成縱移，使其到達(dá)下一錨固節(jié)點(diǎn)，錨固完畢后，整機(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)。該起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)件可以分成上下兩部分結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)包括臂架、轉(zhuǎn)臺(tái)、人字架、拉桿、主起升、副起升及變幅驅(qū)動(dòng)裝置以及配重等，下部結(jié)構(gòu)包括支座、支腿及行走滑動(dòng)裝置等。
應(yīng)用ANSYS進(jìn)行有限元分析，建模過程中會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間與精力。雖然ANSYS帶有自建模功能，但是功能非常有限，只能處理一些相對(duì)簡單的模型，而處理越來越復(fù)雜的模型就顯得遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
Solidworks等CAD造型軟件擁有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力，可以進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)體造型。ANSYS是1種大型通用有限元分析軟件，其長處在于有限元分析；而CAD軟件的優(yōu)勢(shì)在于三維設(shè)計(jì)造型。因此，將Solidworks軟件與ANSYS結(jié)合使用，充分利用Solidworks軟件快速準(zhǔn)確建模的特長，可很好地解決ANSYS建模能力的不足、有效提高建模速度和模型質(zhì)量、簡化分析工作、提高模型的準(zhǔn)確性。
在對(duì)該起重機(jī)建立幾何模型過程中，首先將整機(jī)的各個(gè)部分如轉(zhuǎn)臺(tái)、支座和支腿等分別在Solidworks中建模，并相應(yīng)保存為Parasolid類型文件；然后在ANSYS軟件中導(dǎo)入其Solidworks模型。在此模型轉(zhuǎn)換過程中，必須進(jìn)行相應(yīng)的ANSYS布爾運(yùn)算，只有布爾運(yùn)算操作成功后方可進(jìn)行下一步操作。同時(shí)，在整個(gè)建模過程中必須注意各個(gè)部分的建模應(yīng)按照組合后各個(gè)部分在整體坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置進(jìn)行，然后再作相應(yīng)疊加，從而完成整機(jī)模型建立，局部實(shí)體結(jié)構(gòu)模型見圖。
為避免組合后整機(jī)定義屬性及剖分網(wǎng)格等使問題復(fù)雜化，先對(duì)各個(gè)模型分別定義屬性及剖分網(wǎng)格，再進(jìn)行疊加。疊加時(shí)，分別使用ＣＤＷＲＩＴＥ命令(ＭｅｎｕＰａｔｈｓ:ＭａｉｎＭｅｎｕ>Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ>ＡｒｃｈｉｖｅＭｏｄｅｌ>Ｗｒｉｔｅ)，新建1個(gè)ANSYS工作文件保存為ｃｄｂ文件，再依次使用ＣＤＲＥＡＤ命令讀入先前寫好的實(shí)體模型文件(ＭｅｎｕＰａｔｈｓ：ＭａｉｎＭｅｎｕ>Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｒ>ＡｒｃｈｉｖｅＭｏｄｅｌ>Ｒｅａｄ)。在此應(yīng)注意，如果先后讀入的2個(gè)部分發(fā)生重疊，可能是后讀入的部分覆蓋先前讀入的部分。
盡管ANSYS提供約200種單元模型，但因全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)主要由管桁架和箱形板等結(jié)構(gòu)組成，故使用三維梁單元、桿單元和板殼單元構(gòu)建有限元模型，并對(duì)該起重機(jī)實(shí)體模型進(jìn)行必要的簡化。
針對(duì)該模型中各個(gè)不同的部件，采取多個(gè)單元模型耦合來模擬整機(jī)結(jié)構(gòu)。其中，臂架系統(tǒng)的主副弦管和人字架采用ＢＥＡＭ189單元；臂架系統(tǒng)各連接板、轉(zhuǎn)臺(tái)、支座、支腿采用ＳＨＥＬＬ93單元；拉桿，主起升、副起升及變幅鋼絲繩采用ＬＩＮＫ10單元；配重，主起升、副起升及變幅電機(jī)，旋轉(zhuǎn)大軸承以及各剛性區(qū)域連接點(diǎn)均采用ＭＡＳＳ21質(zhì)量單元。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)情況及計(jì)算需要，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行單元剖分后共得到7 925個(gè)ＢＥＡＭ189梁單元，66 237個(gè)ＳＨＥＬＬ93板殼單元數(shù)，7個(gè)ＬＩＮＫ10單元，35個(gè)ＭＡＳＳ21質(zhì)量單元。
由于全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)以橋梁結(jié)構(gòu)為支承基礎(chǔ)，因此對(duì)整機(jī)重量有嚴(yán)格限制。在確保整機(jī)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，為盡可能減少整機(jī)重量，采用高強(qiáng)度材料。其中，臂架系統(tǒng)主弦管采用起重機(jī)臂架專用無縫高強(qiáng)度鋼管HSM770，轉(zhuǎn)臺(tái)及支座支腿等局部應(yīng)力大的地方采用高強(qiáng)度板材HG70，其余大部分采用材料Q345A等。
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