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摘 要：针对80t+80t双抬门吊的实际工作情况，对起重机的金属结构进行分析，采用ansys有限元分析软件，提取了典型的模态振型，通过模拟不同工况下的起重机起吊过程，得到了起重机的整体应力分析和主梁的刚度。结果表明：刚腿与主梁的连接部位应力较大；在主梁中部单小车起吊时，主梁下绕最大；起重机的强度和刚度均满足设计要求。
关键词：龙门起重机；结构分析；强度计算；
中图分类号：TD422.4+7 文献标识码：A文章编号：1006-4117（2011）07-0323-01
引言：此龙门起重机专门为我国某大桥的梁场设计，为箱梁结构的双小车抬吊龙门起重机。主要功能部件：主梁、刚腿、柔腿，2个80t起重小车、行走机构、梯子平台等。能够满足该梁场140t梁块的搬运作业。
一、80t+80t双抬吊龙门起重机的结构及工况说明
80t+80t双抬吊龙门起重机的金属结构主要由主梁、刚腿、柔腿，下横梁及其它辅助平联杆件组成。跨度为38.5米，吊高14.24米，工作级别为A3，所有板材均采用Q345材料，龙门吊在工作时主要由三种典型危险工况，工况1：一台天车跨中起吊80t重物，另一台天车停在主梁的刚腿端，同时考虑沿大车轨道方向风载。工况2：两台天车间距25米同时起吊80t+80t重物，考虑沿大车轨道方向风载。工况3：2台天车间距30米同时起吊80t+80t重物，载荷偏于柔腿一侧，考虑沿大车轨道方向风载。
二、起重机有限元计算模型
（一）模型的建立。LME80T+80T龙门吊机为箱梁结构，在实际的工作中，主梁主要承受弯曲、拉压和剪切载荷；刚腿主要承受弯曲和拉压载荷，下横梁主要承受拉压载荷。故采用shell63单元,来模拟承受弯曲、拉压及剪切的板构件。建模的过程为：直接建立龙门吊箱梁结构在空间当中的中心面，不同截面相连的位置均有分割线。柔腿与主梁的连接部位建立耦合关系，释放沿大车行走方向的旋转自由度；小车采用集中质量单元表示。网格划分时，除主梁与支腿的连接部位手动划分单元以外，其余均自由划分网格。
（二）边界约束的处理。起重机工作时，大车与轨道之间铰接，单侧刚腿和柔腿的大车与轨道之间约束三个平移自由度，另一侧约束两个平移自由度，释放沿大车行走方向的平移自由度。
（三）载荷的施加。龙门吊机的载荷，按照起重机设计规范起重机，有风工作情况下的载荷组合载荷添加，包括有：起升载荷（吊钩4t+小车11t梁80t）、自重（重力加速度的形式施加）、钢箱梁的偏摆力（偏摆力则以水平力80x0.05=4t）和风载荷（按六级风添加水平加速度）。模型在处理过程中做了适当的简化，筋板和隔板未在模型中体现，使得模型的重量小于起重机的真实重量，所以增大重力加速度对重量进行补偿，现在重力加速度为g=11.78m/s2，材料密度为δ=7.85t/m3，弹性模量为E=206GPa，泊松比为μ =0.3。
三、结构模态计算及分析
文中模态提取方法选择Block Lanczos法，此方法计算精确，速度较快，工程中常用此法来提取模态。龙门起重机跨度大于30米，一般都采用刚腿与柔腿结合的结构，对整体结构来说，柔性较高，故对高阶模态可忽略不计，常常利用前几阶固有频率评价起重机结构的动刚度。进入ANSYS 求解器，进行模态分析，得出龙门吊机前20阶频率如表4-1，图4-1为前六阶的典型振型。
表4-1 龙门吊机前20阶频率
从模态分析结果来看，前六阶模态振型是典型振型，一阶振型反映了龙门吊机沿小车行走方向的振动，这个方向上振动主要由小车制动和风载引起，第二、三、四和五阶振型反映了沿主梁横向方向的振动，这个方向的振动主要由风载荷和吊重偏摆引起；第六阶振型反映了主梁沿重力方向的上下振动，这个方向的振动主要是由小车的往返运动和重物沿重力方向的振动引起。
四、结构刚度和强度计算及分析
（一）结构强度计算。结合以上双抬吊龙门吊机主要危险工况，对三种工况的整体强度和刚度进行校核。通过对三种工况下的桥面吊机静强度有限元计算，整体应力分布均匀，最大应力为局部，位于主梁和刚腿的连结处，第一种工况的主梁应力最大为110Mpa，满足Q345的应力要求。图5-5、5-6、5-7为三个工况下的整体应力分布。（二）结构静刚度计算。三种工况下，主梁的下绕依次为69mm，66mm和68mm，由主梁自重产生的下绕为18mm，主梁整体最大下绕控制在38500/(69-18)=755，满足主梁刚度控制要求。（三）结构强度计算。三种工况下，龙门吊机各主要界面的最大应力如表5-1所示。
表5-1可知,吊车梁各主要截面都能满足强度要求。主梁的最大应力出现工况一，支腿的最大应力出现在工况三，三种工况下主梁与刚腿和柔腿的连接处有应力集中，经过分析，在柔腿与主梁的连接处，可能是由于用螺栓连接来代替铰接出现应力集中。最大应力出现在工况二，集中应力为252MPa。
结束语：对LME80T+80T龍门吊机的分析计算，得出的结论如下：1、吊重的偏摆，大车和小车制动和风载荷是影响龙门吊机失稳的重要因素；2、刚腿和柔腿与主梁的连接部位应力较大；在主梁中部单小车起吊时，主梁下绕最大；起重机的强度和刚度均满足设计要求。3、从计算结果来看，LME80T+80T龙门吊机的结构和刚度均满足设计要求。
作者单位：
[1]龚署光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社,2003.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：龙门起重机；结构分析；强度计算；
中图分类号：TD422.4+7 文献标识码：A文章编号：1006-4117（2011）07-0323-01
引言：此龙门起重机专门为我国某大桥的梁场设计，为箱梁结构的双小车抬吊龙门起重机。主要功能部件：主梁、刚腿、柔腿，2个80t起重小车、行走机构、梯子平台等。能够满足该梁场140t梁块的搬运作业。
一、80t+80t双抬吊龙门起重机的结构及工况说明
80t+80t双抬吊龙门起重机的金属结构主要由主梁、刚腿、柔腿，下横梁及其它辅助平联杆件组成。跨度为38.5米，吊高14.24米，工作级别为A3，所有板材均采用Q345材料，龙门吊在工作时主要由三种典型危险工况，工况1：一台天车跨中起吊80t重物，另一台天车停在主梁的刚腿端，同时考虑沿大车轨道方向风载。工况2：两台天车间距25米同时起吊80t+80t重物，考虑沿大车轨道方向风载。工况3：2台天车间距30米同时起吊80t+80t重物，载荷偏于柔腿一侧，考虑沿大车轨道方向风载。
二、起重机有限元计算模型
（一）模型的建立。LME80T+80T龙门吊机为箱梁结构，在实际的工作中，主梁主要承受弯曲、拉压和剪切载荷；刚腿主要承受弯曲和拉压载荷，下横梁主要承受拉压载荷。故采用shell63单元,来模拟承受弯曲、拉压及剪切的板构件。建模的过程为：直接建立龙门吊箱梁结构在空间当中的中心面，不同截面相连的位置均有分割线。柔腿与主梁的连接部位建立耦合关系，释放沿大车行走方向的旋转自由度；小车采用集中质量单元表示。网格划分时，除主梁与支腿的连接部位手动划分单元以外，其余均自由划分网格。
（二）边界约束的处理。起重机工作时，大车与轨道之间铰接，单侧刚腿和柔腿的大车与轨道之间约束三个平移自由度，另一侧约束两个平移自由度，释放沿大车行走方向的平移自由度。
（三）载荷的施加。龙门吊机的载荷，按照起重机设计规范起重机，有风工作情况下的载荷组合载荷添加，包括有：起升载荷（吊钩4t+小车11t梁80t）、自重（重力加速度的形式施加）、钢箱梁的偏摆力（偏摆力则以水平力80x0.05=4t）和风载荷（按六级风添加水平加速度）。模型在处理过程中做了适当的简化，筋板和隔板未在模型中体现，使得模型的重量小于起重机的真实重量，所以增大重力加速度对重量进行补偿，现在重力加速度为g=11.78m/s2，材料密度为δ=7.85t/m3，弹性模量为E=206GPa，泊松比为μ =0.3。
三、结构模态计算及分析
文中模态提取方法选择Block Lanczos法，此方法计算精确，速度较快，工程中常用此法来提取模态。龙门起重机跨度大于30米，一般都采用刚腿与柔腿结合的结构，对整体结构来说，柔性较高，故对高阶模态可忽略不计，常常利用前几阶固有频率评价起重机结构的动刚度。进入ANSYS 求解器，进行模态分析，得出龙门吊机前20阶频率如表4-1，图4-1为前六阶的典型振型。
表4-1 龙门吊机前20阶频率
从模态分析结果来看，前六阶模态振型是典型振型，一阶振型反映了龙门吊机沿小车行走方向的振动，这个方向上振动主要由小车制动和风载引起，第二、三、四和五阶振型反映了沿主梁横向方向的振动，这个方向的振动主要由风载荷和吊重偏摆引起；第六阶振型反映了主梁沿重力方向的上下振动，这个方向的振动主要是由小车的往返运动和重物沿重力方向的振动引起。
四、结构刚度和强度计算及分析
（一）结构强度计算。结合以上双抬吊龙门吊机主要危险工况，对三种工况的整体强度和刚度进行校核。通过对三种工况下的桥面吊机静强度有限元计算，整体应力分布均匀，最大应力为局部，位于主梁和刚腿的连结处，第一种工况的主梁应力最大为110Mpa，满足Q345的应力要求。图5-5、5-6、5-7为三个工况下的整体应力分布。（二）结构静刚度计算。三种工况下，主梁的下绕依次为69mm，66mm和68mm，由主梁自重产生的下绕为18mm，主梁整体最大下绕控制在38500/(69-18)=755，满足主梁刚度控制要求。（三）结构强度计算。三种工况下，龙门吊机各主要界面的最大应力如表5-1所示。
表5-1可知,吊车梁各主要截面都能满足强度要求。主梁的最大应力出现工况一，支腿的最大应力出现在工况三，三种工况下主梁与刚腿和柔腿的连接处有应力集中，经过分析，在柔腿与主梁的连接处，可能是由于用螺栓连接来代替铰接出现应力集中。最大应力出现在工况二，集中应力为252MPa。
结束语：对LME80T+80T龍门吊机的分析计算，得出的结论如下：1、吊重的偏摆，大车和小车制动和风载荷是影响龙门吊机失稳的重要因素；2、刚腿和柔腿与主梁的连接部位应力较大；在主梁中部单小车起吊时，主梁下绕最大；起重机的强度和刚度均满足设计要求。3、从计算结果来看，LME80T+80T龙门吊机的结构和刚度均满足设计要求。
作者单位：
[1]龚署光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社,2003.
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