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桅杆起重机结构强度仿真详细分析与应力测试(二)

来源:恺德尔起重机安全监控管理系统专家 发表日期: 2016-08-19 17:26:00

2.2边界条件及加载

起重机在实际吊载工作中受到重物载荷和计算载荷2种类型的载荷。模拟分析时需要考虑该起重机在起吊最大额定载荷即600t、并处于极限工作位置的工况。因此,仿真分析以下几种工况:1种工况:幅度为19m即变幅角为67.75°、起重量为600t;第2种工况:幅度19m、只计自重;第3种工况:幅度为9m即变幅角为84.45°、起重量为600t;第4种工况:幅度为9m、只计自重。


对模型施加载荷和边界条件。变幅拉绳与地面固结,桅杆底部固定X、Y、Z方向的移动和绕Y、Z方向的转动,变幅拉绳由于是用Link10单元摸拟,所以在每个节点处约束X方向的移动。载荷一种是整体的重力载荷,通过对整体模型施加Y方向的9.8m/s2的加速度。另一种是集中载荷,即起重机的最大起重量600t,分别在两边滑轮组上施加3000kN垂直向下的力。600t的力加载为集中力,虽然在连接点处会引起很大应力集中,但并不影响箱形梁和桁架的受力情况。


2.3仿真结果及分析

由于该起重机的重点关注部位为主桅杆和上横梁,因此,在结果显示中忽略变幅钢丝绳和定滑轮处的应力结果。主桅杆4种工况的整体应力云图、上横梁应

力云图和主杆局部应力云图分别见图5。


从有限元仿真结果云图中可以看出,4种工况中最危险工况是第1种工况,起重机结构最大应力出现在箱形梁与桅杆连接部位,其最大应力为185MPa。由于该单元位于桅杆与箱形梁连接处,存在有限元计算中的应力集中,且现场结构该处

存在局部补强和加强筋板,实际应力应远小于计算值。从4种工况的应力云图中可以看到,主桅杆受力较均匀。


3、现场应力测试

3.1现场测点和测试工况

对该起重机的应力测试同样集中于起重机的主桅杆结构,主桅杆结构为桁架结构,主应力方向明确,贴片方式采用沿主应力方向贴单片应变片,针对该类型起重机的典型受力构件及危险断面情况,结合有限元分析结果和现场情况,确定应变片布置图,共布置测点14个,如图6所示。


分别选择静态数据采集仪和无线动态数据采集仪作为测试仪器。静态数据采集点采样频率设为1Hz,应变片接线采用半桥方式,使用有线方式,仪器使用共用补偿片方式,无线动态数据采集仪进行数据采集,采样频率为

100Hz。应变片接线采用半桥方式,使用无线遥测方式,每个测点采取1个工作片和1个补偿片的连接方式。


根据起重机特点和现场情况,设定3个测试工况如表1所示,其中工况Ⅰ和工况Ⅱ测试结构静态应力,工况Ⅲ测试结构动态应力。


3.2测试数据

在完成测试准备工作后,根据现场测试工况的要求,检查和调整起重机,使之处于正常工作状态。调试和检查有关仪器,合理选择灵敏系数,消除仪器自身的影响。在测试中每个工况应重复做3次,比较测试数据无重大差别。如果误差超过10个微应变,则应查明原因,并重新测试直至稳定。在测试过程中,观察结构是否有永久变形或局部损坏。如果出现永久变形或局部损坏应立即终止试验,进行全面检查和分析。记录各测点应变值,并对数据进行处理,获得各测点工况Ⅰ和工况Ⅱ的静态应力值,部分测点数值见表2。


通过各测点的静态应力值可知,在工况Ⅰ即9m幅度、起升额定载荷时,主弦杆整体受到压应力,应力最大值(61.6MPa)出现在测点8,即下游侧最后一节主弦杆处。通过有限元计算的第4种工况可知自重应力约为14.4MPa,此时安全系

数为通过各测点的静态应力值可知,在工况Ⅰ即9m幅度、起升额定载荷时,主弦杆整体受到压应力,应力最大值(61.6MPa)出现在测点8,即下游侧最后一节主弦杆处。通过有限元计算的第4种工况可知自重应力约为14.4MPa,此时安全系

数为相对较小。部分测点动态应力测试结果见表3,其中动态应力稳定值为应力峰值附近范围内的均值,对比值为动态应力峰值与动态应力稳定值的一个比值


4、结果比较分析

将有限元分析结果和现场实测结果进行比较分析,根据现场各测点的实际位置,在有限元后处理中截取该单元的应力值,与现场实测数值进行比较,部分测点的比较数据如表4所示。其中实测数据为现场应力测试与有限元自重计算数据之和,比较值为有限元分析结果与现场测试的比值,从比较值可以看到有限元计算结果偏大,计算结果较保守,有限元计算结果和现场测试结果的整体趋势是一致的。


5、结束语

在对大型起重机安全性评估中,其金属结构受力情况一直是关注的重点。有限元仿真法和现场实测法是目前2种常用的方法,但两者都有其局限性,不可完全替代。有限元仿真法的计算成本低,可获得整体模型的应力分布,理论上在按

照模型的精确几何尺寸并进行精确边界条件设定后,可获得精度较高的求解结果。但实际上模型的精确现场尺寸和边界条件获取比计算本身困难很多,在计算中不可避免做出优化。现场实测法可以反映设备的真实状况,但在测点选择中不一

定能选择到结构磨损、腐蚀引起的应力集中区域,而测点的增多会带来测试成本的提高,并且现场测试无法获得设备的自重应力。本文将2种测试方法应用于600t桅杆起重机金属结构的安全性评估中,获得该起重机金属结构安全状况。2种方法所获得结果表明该起重机金属结构强度符合设计规范的要求,本文的测试分析方法和步骤对同类问题的解决具有指导作用。

 

 

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