双梁桥式起重机主梁数值分析
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中文摘要
运用有限元分析等相关理论，研究了桥式起重机主梁结构，建立主梁几何模
型，对多种工况小车运行位置进行静、动态分析，获得了各种主梁设计方案在不
同运行时刻的实时数据，包括主梁关键位置的变形值、应力分布等，进行强度、
刚度校核和仿真结果综合评价和处理等。然后，进行设计方案分析比较,优化桥式
起重机性能。
利用可视化编程语言TCL/TK及ANSYS的APDL参数化设计语言，对主梁设计
和制造技术进一步研究，开发了桥式起重机有限元分析系统，实现仿真模型的参
数化建模，开发通用型形式主梁的快速建模专用程序：设计出图形化参数输入界
面，研究基于ANSYS软件平台的通用型主梁仿真有限元模型参数化自动建模程序
和仿真试验结果自动处理程序。借助TCL/TK人机交互界面，对ANSYS命令流进行
后台封装，使用该系统进行桥式起重机的参数化设计与有限元分析。
“通用型主梁参数化建模与分析系统”的运用缩短了主梁仿真试验和分析的
辅助时间，减少了桥式起重机研究与设计的工作量，并获得优化的仿真分析结果，
提高产品的质量。
关键词：桥式起重机主梁 静动态特性 ANSYS 有限元分析 TCL/TK
ABSTRACT
The structure of main girder is analyzed by FEM. The finite element model of
main girder can be established. The static and dynamic performance of bridge crane is
investigated and a large amount of real-time data of the main girder design in different
working time is obtained, including deformation and stress distribution of the main
girder in the key position. Then, the strength and stiffness are checked and the numeral
results are comprehensively analyzed, design solutions of the main girder are compared
to improve the technical performance of crane.
The bridge crane FEA system is developed by TCL/TK and ANSYS/APDL on the
basis of the analysis of the finite element model of the bridge crane, such as automatic
parameterized modeling program of the finite element model of universal main girder
and automated processes program of simulation results which are based on ANSYS
software. ANSYS command stream is encapsulated in background by man-machine
conversation interface which is developed by TCL/TK and then, the parametric design
and finite element analysis of bridge crane can be investigated.
So the workload of bridge crane design can be relieved greatly , the optimum
results can be got and the qualities of products can be improved.
Key words: Bridge crane main girder, the static and dynamic
performance, ANSYS, FEA, TCL/TK
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 国内外起重机主梁研究概况及发展趋势 .........................................................1
§1.1.1 国内起重机主梁发展状况 ..........................................................................1
§1.1.2 国外起重机主梁发展状况 ..........................................................................1
§1.2 有限元法在起重机主梁设计中的应用 .............................................................2
§1.3 本论文的研究内容 .............................................................................................3
§1.3.1 课题来源与意义 ..........................................................................................3
§1.3.2 本论文主要内容 ..........................................................................................4
第二章 桥式起重机主梁结构静力学分析 .....................................................................6
§2.1 壳单元基本理论 .................................................................................................6
§2.2 桥式起重机主梁静力学分析模型 ...................................................................10
§2.3 2604 型号主梁结构有限元模型 ......................................................................13
§2.3.1 2604 型号主梁结构相关参数 ...................................................................13
§2.3.2 几何模型 ....................................................................................................13
§2.3.3 网格划分 ....................................................................................................14
§2.4 载荷、约束处理 ...............................................................................................16
§2.4.1 约束处理 ....................................................................................................16
§2.4.2 载荷处理 ....................................................................................................16
§2.5 2604 型号主梁结构有限元结果分析 ..............................................................19
§2.5.1 工况 1结果分析 ........................................................................................19
§2.5.2 工况 2、3结果分析 ..................................................................................24
§2.6 1901 型号仿真分析与实测数据对比 ..............................................................27
§2.6.1 1901 型号主梁仿真分析 ...........................................................................27
§2.6.2 1901 型号主梁应力测试方法与对象 .......................................................30
§2.6.3 检测工况、结果 ........................................................................................31
§2.6.4 模型分析数据与测量数据的对比 ............................................................33
§2.6.5 有限元分析模型准确性判断 ....................................................................34
§2.7 小结 ...................................................................................................................35
第三章 2604 型号桥式起重机主梁动态分析 ..............................................................36
§3.1 动态分析原理 ...................................................................................................36
§3.1.1 动力平衡方程 ............................................................................................36
§3.1.2 自由振动方程 ............................................................................................38
§3.1.3 结构动力响应 ............................................................................................39
§3.2 桥式起重机主梁动力学分析模型 ...................................................................41
§3.3 主梁动态载荷分析 ...........................................................................................42
§3.3.1 瞬态冲击载荷分析 ....................................................................................42
§3.3.2 瞬态简谐载荷分析 ....................................................................................43
§3.3.2.1 相关刚度系数的确定 .........................................................................43
§3.3.2.2 振动系统相关参数 .............................................................................43
§3.4 主梁结构动力学分析 ......................................................................................44
§3.4.1 模态分析 ....................................................................................................44
§3.4.2 瞬态分析 ....................................................................................................46
§3.5 小结 ..................................................................................................................49
第四章 参数化建模与分析系统 ...................................................................................50
§4.1 ANSYS 二次开发的理论与方法 ..................................................................... 50
§4.2 有限元模型的参数化 ......................................................................................... 51
§4.3 TCL/TK ............................................................................................................. 54
§4.4 小节 ...................................................................................................................55
第五章 结论与展望 .......................................................................................................56
§5.1 结论 ...................................................................................................................56
§5.2 展望 ...................................................................................................................56
参考文献 .........................................................................................................................58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................61
致 谢 .............................................................................................................................62
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 国内外起重机主梁研究概况及发展趋势
§1.1.1 国内起重机主梁发展状况
国内起重机制造业开始于20世纪中叶，起重机设计大多源于苏联。早期的起
重机钢结构设计的安全系数高，自重大，致使起重机主梁整体尺寸、重量过于庞
大[1]。目前我国起重机制造业的传统设计依然大量存在，发展水平参差不齐。
物流机械设备在现代化生产和物流中应用越来越广，对起重机桥架结构要求
亦日益提高。与此同时，随着电子计算机技术的广泛应用、先进设计方法出现，
在新的世纪，国内起重机主梁发展正在经历一场大变革：
1. 通用产品小型化、轻型化、简易化和多样化
在一般的车间、仓库等处，对于使用不频繁的起重机桥架尽量缩减外形尺寸、
结构。按最新设计理论开发出的产品自重可减轻一半[2]。
2. 采用新理论、新技术、新方法
计算机技术深入应用，促使产品设计水平不断提高。对起重机主梁的荷载变
化规律、疲劳特性和动态特性等研究，采用概率设计法、可靠性设计和优化设计
等[4]。
3. 采用新结构、新材料、新工艺和新部件[5]
结构方面，异型钢和薄壁型材减少了结构拼接焊缝，各类低合金钢材料提高
了承载能力；机构方面，开发新型传动零部件，以焊代铸，简化机构，机电一体
化技术提高了使用性能和可靠性。
§1.1.2 国外起重机主梁发展状况
随着生产和物流规模的扩大，现代化生产和物流对起重机械提出了更高的要
求。物流机械设备技术性能将进入一个崭新的发展阶段，起重机桥架结构有如下
的发展趋势：
1. 大型化、高速化
为了提高作业效率和规模效益，大型、高速的物流机械需求量不断增长。起
重机械的起重量、载重量、生产率、作业能力越来越大。
2. 实用化、轻型化
在通用的场合使用，有些物流机械设备工作并不很繁重一这类设备批量较大、
双梁桥式起重机主梁数值分析
2
用途广，可降低外型高度，简化结构，降低造价，轻型化的起重设备在今后会有
更快的发展。
3. 系列产品模块化、专用化、通用化
物流活动通常要求具有系统性，机动性、一致性、快速化等特性，促使物流
机械设备向专门化、通用化、标准化等方向发展。满足特殊需要的特有功能，使
专用设备发挥出最佳效用[3]。
§1.2 有限元法在起重机主梁设计中的应用
随着现代工业的迅速发展，起重机应用越来越广、作用愈来愈大，对起重机
主梁的要求也越来越高。随着有限元理论的不断发展及电子计算机软硬件技术的
广泛应用，在起重机主梁设计中得到了广泛的应用，使起重机的设计进入创新、
高质量、高效率的新阶段。国外在机械设计方面已开始进入自动化设计阶段 [6,7] 。
起重机桥架结构中经常会遇到板壳结构。板壳结构具有很好的空间传力性能，
能覆盖或围护大跨度的空间，能显著地提高结构的强度、刚度、稳定性和抗疲劳
性。现有的设计方法通常是把筋板的设计问题转化为结构的厚度或材料分布设计
问题，采用均匀化法、相对密度法、变厚度法等方法进行设计。
现代设计技术中的一般性优化设计方法及其应用已日趋成熟，普通的连续变
量优化设计[22]、混合离散变量优化设计[23]，已发展到可靠性优化设计，模糊变量
优化设计，单目标优化设计已发展到多目标优化设计[24,25]。现代的优化设计应该是
广义的优化设计，主要内容包括工程优化设计问题的自动建模技术、优化设计问
题的前处理与后处理、优化设计结果的评价等。
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法，随着计算
机的发展，在工程领域得以广泛应用[8]。一般传统设计计算方法局限性很大，仅能
进行粗略简化分析。采用有限元法则优越得多，能多工况随意组合进行静力、动
力、线性和非线性分析，能有效分析多自由度复杂结构。有限元法能针对起重机
实际使用的结构边界条件进行定量的分析计算，并提供反映实际工况的计算结果，
并配有丰富的动态图形显示功能[9]。对于大型起重机和特殊、关键零部件的设计计
算及局部应力分析，采用有限元法更具有优越性。近年来，国内利用有限元技术
对起重机金属结构分析做了大量的研究[10~13]，为起重机的有限元分析提供了宝贵
的经验。
有限元法与数学规划法相结合思想诞生以来，结构优化设计领域发生了巨大
变化，研究重点已由尺寸优化转向形状优化和拓扑优化[14~16]。同时，这一研究正
在不断地扩展，由线性到非线性的问题，由确定性到随机性的结构优化，由结构
第一章 绪论
3
静力优化到动力优化的研究等等[17]。国内利用结构优化技术在起重机金属结构优
化设计已开始应用，但还在初步阶段，主要集中在个别构件的尺寸优化[18~21]。
本文所用的 ANSYS 软件广泛用于机械制造、国防军工、土木工程、等工业及
科学研究，界面友好，应用更具人性化，可进行各类线性、非线性分析，能实现
多物理场耦合分析，前、后处理和求解器功能强大，APDL 简单易懂，适和用于解
决大型、复杂的工程项目[26,27]。ANSYS 有许多优秀特点[28]。
§1.3 本论文的研究内容
§1.3.1 课题来源与意义
1. 课题来源
本论文课题来源于上海市科委科技攻关计划“多用途大型起重运输机械的仿
真分析关键技术研究与开发”，主要针对双梁桥式起重机进行仿真分析关键技术研
究与开发。
2. 课题意义
双梁桥式起重机广泛用于各种物料的装卸和搬运工作。图1-1所示为双梁桥式
起重机。双梁桥式起重机的机械性能对于安全生产、提高作业效率具有重要意义，
所以有必要对其在多种载荷组合作用下进行分析计算。
起重机的传统设计分析方法多采用以古典力学和数学为基础的半理论、半经
验的设计分析方法，设计的精确度差，生产成本高，周期长。工程计算中采用的
安全系数很大，对许多实际情况进行理想化处理，致使几何结构及边界条件等过
于简化，计算结果与实际情况出入较大[29]。
图1-1 双梁桥式起重机
本论文借助ANSYS软件对双梁桥式起重机金属结构进行分析。有限元方法具
摘要：
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中文摘要运用有限元分析等相关理论，研究了桥式起重机主梁结构，建立主梁几何模型，对多种工况小车运行位置进行静、动态分析，获得了各种主梁设计方案在不同运行时刻的实时数据，包括主梁关键位置的变形值、应力分布等，进行强度、刚度校核和仿真结果综合评价和处理等。然后，进行设计方案分析比较,优化桥式起重机性能。利用可视化编程语言TCL/TK及ANSYS的APDL参数化设计语言，对主梁设计和制造技术进一步研究，开发了桥式起重机有限元分析系统，实现仿真模型的参数化建模，开发通用型形式主梁的快速建模专用程序：设计出图形化参数输入界面，研究基于ANSYS软件平台的通用型主梁仿真有限元模型参数化自动建模程序和仿真试验...
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