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结构的有限元分析，并优化钩材料，提高其固化性
摘要
没有各种物料搬运设备，现代技术时代是无法想象的。起重机是在不同工程领域中广泛应用的材料处理设备之一。由于经济发展令人难以置信，起重机的运行率逐年惊人地增加，许多起重机在印度的使用量经常超出其使用范围。因此，分析主要结构非常重要和必要。本文的目的是分析桥式起重机动力结构中的应力和应变条件，为复杂的静态不确定结构提供一种快速，可靠的计算机辅助求解方法。使用NX NASTRAN分析高架桥起重机动力结构的应力和应变状态，以提高其韧性。所进行的研究允许评估应力状态，指出为了增加高架起重机的动力结构的韧性而施加的关键区域和措施。得到的结果使我们能够对电力结构的尺寸优化进行研究，以设计起重机吊钩。因此，可以减少材料的使用而不超过最合适的冲突的限制。
介绍
起重机是其中一种材料处理设备，它广泛应用于不同的工程领域。 起重机是工业机器，主要用于建筑工地，生产车间，装配线，存储区，发电站和类似地方的材料运输。 它们的设计特征根据其主要的操作规范而变化很大，例如：起重机结构的运动类型，负载的重量和类型，起重机的位置，几何特征，操作方式和环境条件。 然而，对现有文献的评估表明，起重机的常规设计在各种工业公司和独立于起重机类型的组织中高度饱和和标准化。考虑到主要基于以前积累的经验的可用技术对于更好的性能，更高的安全性和更可靠的设计是重要的。 众所周知，起重机部件的一般特征对于各种不同类型的起重机是类似的。 由于起重机设计程序使用这些组件高度标准化，因此在起重机设计项目中花费的主要尝试和时间主要用于解释和实施可用的设计标准。它们提供了基于先前设计经验和广泛接受的设计程序的设计方法和实用方法和公式。相信通过预先加载的解释和指导规则的计算机自动访问这些标准，提高了起重机设计师设计程序的速度和可靠性和效率。
物料搬运设备传统上使用一些标准设计，其中包括安全系数。 这可能导致组件的过度设计。 本文提出了一种优化的起重机吊钩模型，该模型是根据可用标准分析整个桥式起重机和alsosafe后确定的，并且易于制造。 使用NX NASTRAN进行结构分析，得到100T提升梁结构，该提升梁具有100T容量的电动架空行走（EOT）起重机，以串联提升负载。
该分析包括起重机的三个主要部件：
1）主纵梁
2）横梁和
3）起重机（ramshorn）吊钩组件
对于上述三个组件中的每一个的分析已经针对相关is代码指定的负载进行。 分析还涉及在需要满足应力和位移要求的地方重新设计结构。设计的在线改变是这个特定行业所不具备的优势。设计师还需要在可能节省材料的地方减轻重量。
1.1主结构的有限元建模
对起重量为100KN，起升高度为28m，跨度为22m的桥式起重机的复杂结构进行分析是一个非常复杂的问题。困难是出于电源结构的几何配置及其尺寸。在这些条件下，为了进行能够指出结构应力应变状态分布的所有方面的完整分析，需要使用精心设计的计算模型，以简化几何模型中出现的近似值，并允许使用一些适合作为类型，数字和隐式大小的有限元素。
本文对这种动力结构的应力应变状态进行了有限元分析，但是问题的解决是用带有刚性节点的梁型有限元来完成的。这种方法允许对行为的结构模式进行一般性的研究，但不提供有关应力集中现象的方面或应力应变分布的详细研究。考虑到桥式起重机的构造要求和设计所选择的解决方案，需要使用符合力矩理论的壳型有限元。
该模型已在Solid Edge ST软件上准备好，并在NX NASTRAN中提取该组件进行分析。 完成主纵梁，横梁和吊钩组件的整体分析后。 在起重机吊钩上观察到最大应力，然后进行起重机吊钩分析以进行进一步分析。 起重机吊钩分析针对两种不同材料和三种不同部分进行了分析和优化材料。
2.2结果
分析计算了主纵梁，横梁中的应力，位移结果。 这些结果表明，所产生的应力远低于允许的应力极限。 因此，顶板需要将厚度从22 mm减小到20 mm，并且还需要将侧板厚度从12 mm减小到10 mm。 在分析之后，它表明可以实现材料节约，如图1所示。
图1. 主纵梁的箱形截面
图2. 主纵梁位移结果
图3. 主纵梁的应力结果
但是，在起重机吊钩上观察到了最大应力。因此，用三种不同的材料对钩子进行了分析。
图4. 山字钩位移结果
图5. 山字钩受力结果
对三种不同材料进行山字钩分析后，En-22，Steel-20和锻钢。 在图4和图5中提到了具有En-22材料的梯形截面的结果。
根据这些图4和图5：Von-miss应力为87.66N / mm2，最大剪切应力为45.66N / mm2，钩上产生的总变形为0.3569mm。
表1. 三种不同材料山字钩的分析
锻钢用于目前的应用，它是由梯形截面制造的。为了减少山字钩中产生的应力，用三种不同的材料进行分析。 通过使用表1中提到的三种不同材料，EN-22中的应力和挠度小于锻钢和钢-20。
然后用三个不同的部分检查起重机吊钩。 从不同截面的研究来看，梯形截面优于另外两个圆形和矩形截面。 根据表1的研究，EN-22材料在另外两种材料中是最优异的，并且梯形截面最小于圆形和矩形截面。
参考文献
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起重机结构中回转支承的疲劳性能建模。局部应力和疲劳图像计算影响参数的识别
摘要
在起重机工业领域，回转支承对安全性和性能要求很高，是设备的重要组成部分，制造商需要保证其机械强度和耐久性。自十多年来，CETIM公司一直致力于回转支承的试验、设计和计算领域。近几年来，CETIM公司开展了大量的工作，以开发一种计算方法，使之能够获得滚珠轴承中的力。这些力作为局部非线性有限元模型（包括接触定义）的输入，允许在环的轨道上进行应力状态计算。然后根据适当的标准进行疲劳分析，考虑到轨道（感应淬火零件）表面处理导致的复合多轴应力状态和材料性能梯度。为了估计球的接触角、几何一致性、机械间隙和处理后材料的深度等参数的影响，进行了参数计算。结果可以识别最重要的参数，并显示这些参数如何影响回转支承的损伤位置，与损伤部件的物理观测有良好的相关性。本文综合介绍了这项长期工作。
关键词：回转支承；轨道；疲劳；接触；符合性；间隙
介绍
从1997年到2015年，CETIM与工业合作伙伴共同合作，以开发出适用于回转支承设计的强大方法[1,2,3]。
2005年之前，研究主要集中在回转支承组件上。 已经进行了详尽的测试和计算，这是设计回转环组件的一般方法。 这项工作导致了名为CetimPEARL的软件工具。
为了计算装配，需要逐个扇区的力量。 直到2005年，一个假定完美的正弦分布的公式已被用于计算球中的力。 从2005年到2010年，开发了一种基于有限元方法的方法，以准确计算回转环周围球力的重新分配。 这种方法使用非线性弹簧来模拟接触。 当支撑结构的刚度不均匀时，必须使用这种方法。 本文的第3节介绍了这种计算方法。
然后将从先前全局方法计算的力和接触角用作局部有限元模型的输入，该局部有限元模型考虑球和轨道之间的非线性接触。 轨道中的应力状态用该模型计算，见第4节。
一旦计算出轨道中的应力场，对应于实际的加载顺序，可以通过适当的疲劳标准进行疲劳分析。 为了考虑在这种情况下涉及的复杂多轴应力状态（接触疲劳），采用了Dang Van法则，本文第5节描述了该模型。
球的计算力，局部接触有限元模型和疲劳分析受初始接触角，几何整合度，直径间隙或硬化处理厚度等参数的影响。第6节给出了参数分析的全局概述。
回转支承说明
2.1定义和几何
本文考虑的回转支承是塔式起重机的一部分，如图1所示。它引导吊臂（水平梁）的旋转。 这种回转有一个球排，可以通过以下参数进行全局描述：
图1. 塔式起重机上的回转支承位置
材料是淬火和回火的钢级42CrMo4，轨道经过感应硬化，厚度为3.2毫米。
球和轨道之间曲率的差异由一个称为几何一致性的参数给出，该参数由轨道半径与球直径的比率决定。
球的承载周期
对于所考虑的使用条件周期，臂架逆时针旋转，承载负载并在没有负载的情况下顺时针旋转180°角。 图2以图形方式显示了这个循环。
图2：加载循环（左侧=带负载;右侧=无负载）
本地装载周期
当臂架转动时，内圈和外圈以相对角度psi;旋转。 当环移动时，球滚动，并且当球通过时，轨道上的一个点看到局部循环。 可以计算局部循环的数量，给出接触角，球面直径，平均环直径，旋转角度和球的数量。 等式（1）给出了形成环（ ）和固定环（ - ）的局部循环数。
一个环是固定的，另一个是转动的。固定环可以看到与起重臂一起移动的负载。取决于起重臂角度位置，加载扇区不同。动环与起重臂一起移动；加载的扇形段不移动。取决于起重臂位置。活动环有两个关键的部分，一个靠近试验区，另一个在对面。
球力和接触角计算[4,5]
考虑到刚性环，没有间隙和大于26的球，可以计算出球中的最大力，从而给出回转环的几何形状，球的数量和全局载荷，具体如下：
固定环的环和支撑结构不是刚性的。 有些部门比其他部门更严格。等式（2）考虑了均匀的刚度。 当球传到柔性区域时，力量低于预期; 当它传递一个僵硬的部位时，力量超过预期。 为了计算实际力，已经完成了包括计算模型中支撑部件的灵活性的工作。
3.1球型部件
首先，创建和加载支持结构（参见图3）。 转盘固定在四英尺处。 轴向力和弯矩（参见图2）通过远程点施加在载体顶部。 计算是通过加载然后无负载完成的。 四个位置被认为是0°，15°，30°和45°。 负载跟随载体的旋转。感谢转盘的双重对称，没有必要计算从60°到180°的位置。
图3：回转支承、托架和转盘网格和负载（0°时）
3.2接触模型
为了模拟球的刚度和接触，非线性弹簧连接相对轨道的曲率中心。 其非线性刚度曲线和方程如图4所示。
图4：弹簧非线性刚度
当回转环加载或存在间隙时，接触角会发生变化。 该接触角由下式给出弹簧的接触角。 图5显示了对角线上的弹簧（左上/右下）。 当载荷符号改变时，对角线变化（左下/右上）。 在这个对角线上创建了另一个弹簧。
图5：刚性梁和弹簧（接触角= 45°和51°）
从轨道的曲面到曲率中心创建刚性梁。 然后将这些光束与多点约束（MPC）链接到下面的元件（参见图6）。
图6：刚性梁（绿色）和MPC（紫色）
该模型的主要结果是球的力和接触角超过360°。 如图7和图8所示，球中的力（此处为垂直分量）与理想的正弦重新分配不同（图8中的差异为25％）。
图7：球中的垂直力（初始参数，无间隙）
图8：球中的垂直力（初始参数，间隙为1,146 mm）
具有非线性接触的有限元局部模型
第3节中开发的模型给出了局部力和角度。 选择关键球扇区并创建局部模型，考虑对称性。 考虑球的两个位置以便为顶部和底部轨道充电。模型使用3D实体元素。 在接触区域，球和轨道之
资料编号：[3170]
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