桥式起重机桥实体建模与有限元分析外文翻译资料

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桥式起重机桥实体建模与有限元分析

C. Alkin，C. E. Imrak，H. Kocabas

本文对双箱梁桥式起重机桥梁的设计进行了研究，并对一台35吨级，13米跨度的起重机进行了实例研究。在案例研究的初始阶段，执行了由F.E.M规则和DIN标准提出的常规设计计算，以验证应力和挠度水平。起重机设计使用固体和表面建模，分别由实体和壳模型生成具有四节点四面体和四节点四边形壳单元的有限元网格。在对有限元分析并经过现有起重机的常规计算和性能进行比较之后，发现使用二次壳单元的分析给出了最现实的结果。作为这项研究的结果，本文提出了一种桥式起重机的设计优化方法。

关键词：桥式起重机、有限元法、实体造型箱梁。

符号

1介绍

起重机是提供几乎覆盖建筑物整个区域的重型起重设备的最佳选择，而高架起重机是重型货物最重要的物料搬运系统。桥式起重机的主要任务是处理重型有效载荷并将其从一个位置转移到另一个位置，也因此，它们被用于汽车厂和造船厂等领域[1,2]。它们的设计特点根据其主要操作规范而有很大差异，例如：起重机结构的运动类型，重量和负载类型，起重机的位置，几何特征和环境条件。由于起重机的设计程序高度标准化，因此大部分时间和精力都用于解释和实施可用的设计标准[3]。

关于结构和构件应力以及静载荷下的安全性和起重机的动态行为已经有许多已发表的研究[5-16]。 Demirsoy [17]研究了桥梁结构的实体建模和有限元分析以找到位移和应力值。 [18]中提供了应用于道路桥梁结构的实体建模技术，以及使用有限元方法分析这些结构。在这项研究中，使用FEM90软件发现压力和位移。 Celiktas [19]研究了起重机桥梁的实体建模，桥梁上不同点的荷载以及有限元方法的应用，其研究介绍了桥式起重机的有限元方法的结果。

DIN-Taschenbuch和F. E. M.规则提供了基于以前的设计经验和广泛接受的设计程序的设计方法和经验方法和方程。 DIN - Taschenbuch 44和185是与起重机设计相关的一系列标准。 DIN规范通常声明设计参数的标准值。 F. E. M规则主要是为了指导起重机设计者而接受的规则集合，它包括决定选择起重机构件的外部载荷的标准[3,20]。

在这项研究中，本文的计算采用了F. E. M.规则和DIN标准，用于箱梁桥式起重机。箱梁的计算使用CESAN公司的标准桥台。然后生成与计算结果相同尺寸的起重机桥的实体模型，然后使用有限元方法进行静态分析。在开始解决方案之前，边界条件使用实践中的边界条件。

2带双箱梁的架空起重机

带有双箱梁的架空起重机不仅可以起吊货物，还可以水平搬运货物。双梁桥式起重机是由在桥上行驶的小车和在轨道上行驶的桥梁构成的。小车起重机或降低负载并将它们运送到桥梁结构上，这些桥梁承载着铁路上的货物。作为结论，本文中它执行三个垂直运动，该系统如图1所示，其中质量的有效载荷用钢丝绳连接到桥上[21,22]。

图1：桥式起重机的整体视图

图2：箱梁桥的施工要求

通过起重机的重量及工作（吊钩）载荷和动态载荷，得到双箱梁承受垂直和水平荷载。借助双箱梁构造，小车在大梁之上或之间运行。图2显示了箱梁桥结构可接受的结构要求和数值。

3有限元法在桥式起重机上的应用

在数值技术中，由于许多用户友好的商业软件的可用性，有限元法被广泛使用。有限元方法可以分析任何几何形状，并解决应力和位移[23]的问题。有限元法将整个研究区域的解作为在元素边界上节点上相互连接的离散有限元的组合，在每个单元矩阵上形成近似解，然后进行组合以获得刚度矩阵，以及整个域的位移和力矢量。在这项研究中，有限元模型是通过Cosmosworks和MSC商业软件包进行的。 Patran和四节点四面体单元和四节点四边形单元已用于高架桥式起重机的建模。

四节点四面体单元是最简单的三维单元，用于分析固体力学问题，如支架应力分析。该元素有四个节点，每个节点在x，y和z轴上具有三个平移和三个旋转自由度，可以被定义壳元件，其允许在元件的平面或曲面中具有两个长度，它的宽度，只能用于3-D模拟。通过将弯曲元件组装到适当的自由度来获得四节点壳体元件，只要壳元件偏转在壳体厚度的预定比率内，这是足够的，否则该系统作为大偏转工作。

典型的四节点四面体单元和四节点二次壳单元及其坐标系如图3所示[24]，所选的四节点四面体单元在每个节点处具有六个自由度：在节点x，y和z方向上的平移以及围绕节点x，y和z方向的旋转。对于用于模拟高架起重机梁的四节点二次壳单元，r和s表示单元的自然坐标和厚度。

这个系统没有任何水平力量，第一面和最后面的轴向位移和旋转等于零。另外，第一个和最后一个人脸节点的横向位移为零。

作用在系统上的外力是起重机主梁的质量（分布载荷）和沿着起重机作用在小车轮子上的力（活动载荷）。作用在小车轮上的力是由台车的质量引起的，起重负载将在起重机上移动。

4节点四面体元素 4节点二次壳单元

图3：用于模拟桥式起重机梁的元素

4桥式起重机桥的实体和有限元建模

有限元法是一种数值程序，可用于解决工程中的各种问题。可用有限元方法分析应力分析，传热，流体流动和机电问题中的稳定，瞬态，线性或非线性问题。 有限元方法的基本步骤定义如下：预处理阶段，求解阶段和后处理阶段。

本文中的真正的起重机数据来自土耳其CESAN公司，该公司参与大量生产桥式起重机。 首先，起重机桥被建模为表面。 桥梁几何试验适用于此，而细长部件也应该模拟为一个曲面，在这之后，创建一个网格。在这项研究中，使用二次元素类型，为计算的起重机桥生成实体模型，实体模型如图4所示[20]。

起重机桥的实体模型 起重机桥的线框视图

图4：桥式起重机的型号

5桥式起重机的数字示例

本研究选择总长度13米，总重量22.5吨的35吨重的桥式起重机作为研究对象。桥式起重机的结构如图1所示。桥式起重机由两根桁架，两根连接它们的鞍座和一台沿桥式起重机和车轮纵向移动的台车组成，其驱动单元安装在两个梁中的一个中，并且桥式起重机由两根导轨支撑，跑道梁安装在建筑物内。

本研究为了计算结构中的应力，应用F. E. M 1.001的规则。，表1给出了F.E.M和DIN标准在桥梁分析中使用的设计值。

表1：网桥属性值

本研究首先使用F.E.M规则计算最大和最小应力，然后计算剪切应力，使用有限元方法对所考虑的梁进行应力估算，这样我们可以得到由自重引起的静载荷，由工作载荷引起的载荷乘以动力系数以及两个最不利的水平效应（不包括缓冲力）。

最大应力包括桥上自重的应力，小车自重的应力，起重载荷的应力以及惯性力的应力以及小车收缩的应力，而最小应力包括桥上自重的应力和小车自重的应力，根据F. E. M.规则[20]给定值的最大和最小应力以标准形式写成

图5：箱梁中的惯性和阻力矩

其中动态系数的值适用于工作负荷产生的负荷，扩大系数c的值取决于应用的组别分类，一米维护平台的重量为零。[25]。

假设总载荷（372780N）在轨道中点处受到影响，并且每个梁均匀分担该总载荷该并且负载通过该系统中的两个手推车轮的接触点施加。因此，每个点上的作用力值为93195N。在系统中施加总载荷，最大应力的值根据公式 （1）为143.90 N / mm2至小数点后两位，最小应力值按式 （2）为47.33 N / mm2至小数点后两位。

根据图5，剪力下的许用应力由轮力的剪应力组成，定义为[20]

所以最大剪应力的值为24.82 N / mm2，从方程

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