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起重机作为工业常用的起重运输机械，在安全性能方面要求很高。一旦出现事故，轻则影响生产，重则危及工作人员的生命。因此，这对起重机的强度校核与安全性提出很高要求。所以分析产品结构，优化产品设计，降低产品的制造成本，全面提升产品研发能力，以最快的速度和更好的质量满足客户的需要是起重机行业的目标，同时这也对应用的设计工具提出了更高的要求。SolidWorks作为一款技术成熟的3D设计软件，在重型机械行业有着非常广泛且成熟的用户，这里为大家介绍一些SolidWorks的特殊技术亮点在起重机行业的应用技巧。
一、桁架式起重机的三维建模
由于具有节约材料、结构简单、受力明确以及迎风面少的特点，桁架式起重机很受港口起重机制造企业的欢迎。但由于其大量使用型材焊接而成，在三维设计和出工程图方面工作量比较大。为了提高设计的效率及便于今后分析，可以在零件环境下，基于SolidWorks的焊接功能，利用多实体进行设计。
1.实施产品模块化设计，建立焊接轮廓库
由于桁架起重机大量使用型材，所以型材的界面就显得尤为重要。运用SolidWorks设计库功能，可以把需要的焊接轮廓全部做成焊接轮廓库，放在设计库中，以后需要的时候就可以直接调用。
此焊接轮廓库可以包含经常用到的方钢、矩形管、槽钢、工字钢、圆钢和角钢等，还可以建立自己定义的轮廓，比如企业经常将两个工字钢焊接在一起来做主梁的主要结构，其形状如图1所示，建成的轮廓库如图2所示。
图1 运用建立的轮廓快速生成结构件
图2 设计库内容
2.运用3D草图提高设计效率
传统的设计软件都是直接从二维草图开始，三维草图效果较差，实现也比较困难。而桁架起重机为便于结构件的生成，需要的恰恰就是3D结构。现在SolidWorks三维设计可以直接从3D草图开始绘制，例如桁架门式起重机的骨架就可以直接搭建，并能将3D草图与2D草图相互交替使用。搭建好的3D草图轮廓如图3所示。
图3 3D草图轮廓
3.使用焊接轮廊直接生成三维模型和工程图
借助于设计好的焊接轮廓库，设计好的3D草图可以直接快速生成三维模型，且所有的结构件都是在零件中自动以多实体的形式表现，不需要转化到装配体状态，如图4所示。另外，还可以定义每个实体的属性，包括材料、重量和长度等，所有的这些属性都能转到工程图中。由于有焊接实体结构，在工程图中可以直接生成切割清单以及企业中经常用到的材料明细表，如图5所示。
图4 起重机三维模型
图5 起重机二维加工图样
二、产品的设计验证
对于桁架式起重机，传统的设计方法是对其进行强度、刚度和稳定性计算，以保证起重机的安全可靠。要达到安全设计，比较可靠的办法就是做试验，但是需要大量的试验经费，且研发周期不能满足高速发展的社会需求。这就有必要找到一种快捷的数值模拟计算方法，比较精确地模拟起重机的实际工况。
SolidWorks Simulation是一个与SolidWorks完全集成的设计分析系统，它提供了单一的屏幕解决方法来进行应力分析、频率分析及扭曲分析等。凭借着快速解算器的强有力支持，用户使用个人计算机就能快速解决复杂计算问题。
对于起重机，主要承受其本身自重、风载荷、运行冲击载荷及起吊重物的重最。通过理论分析可以确定采用结构线性静态分析，由于整机结构系统均由梁结构组成，故采用梁单元。梁单元是把框架分解成很小的直杆，并应用相似的变形到每个直杆。每个直杆有两个节点，每个节点有6个自由度。例如图6所示的框架结构，采用梁单元可以划分为网格结构，如图7所示。
图6 框架三维模型
图7 横梁单元网格结构
在计算刚度时，小车的自重和载荷以集中质量单元的方式加载在相应的节点上。基于这种方法，对模型进行了如下几种工况的分析。
1.工况一
小车位于门机跨中，固定刚性支腿和柔性支腿，即对两腿的支撑处进行了6个自由度的完全约束。
以理想状态计算，材料为0235，其力学特性分别为：材料密度ρ＝7.85×10-6 kg/mm3，弹性模量E= 2.1×105MPa，泊松比ν=0.3，剪切模量G=8.1×104N/mm2，许用应力177MPa。承受60t的载荷(方向垂直向下)，其分析结果如图8和图9所示。结果显示，整机最大等效应力值为107MPa,小于材料许用应力177MPa，位于主梁跨中下方，满足强度和刚度要求。
图8 小车位于门机跨中，承栽60t的整机位移分布图
图9 小车位于门机跨中，承载60t的整机应力分布图
2.工况二
小车位于门机跨中，刚性支腿固定，柔性支腿约束X方向和Z方向，Y方向自由(以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向)。承受60t的基本载荷(方向垂直向下)和2t的冲击载荷(方向沿Y向)，两个载荷的位置都位于主梁跨中。材料属性与工况一相同，其分析结果如图10所示。结果显示，整机最大等效应力值为110MPa，小于材料许用应力177MPa，位于主梁跨中下方，满足强度和刚度要求。
图10 小车位于门机跨中，承载60t+2t的整机应力分布图
3．工况三
小车位于门机跨中，刚性支腿固定，柔性支腿约束x方向和Z方向，y方向自由(以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向)。承受60t的基本载荷(方向垂直向下)和2t的冲击载荷《方向沿Y方向，冲击载荷位于柔性支腿与轨道的接触处。材料属性与工况一相同，其分析结果如图11所示。结果显示，整机最大等效应力值为292MPa，大于材料许用应力177M Pa，位于柔性支腿和主梁交接处。这种工况等效于控制系统已经出现问题，大车两腿没有一起运动，造成了扭转，呈现应力过大，如图11所示。
图11 小车位于门机跨中，承载60t+2t的整机应力分图
4.工况四
小车位于门机跨中，刚性支腿和柔性支腿均固定(以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向)。承受60t的基本载荷(方向垂直向下)、1.2t的冲击载荷(方向沿X向)和自身的重力载荷g，冲击载荷位于柔性支腿与轨道的接触处。材料属性与工况一相同，其分析结果如图12所示。结果显示，整机最大等效应力值为128MPa，小于材料许用应力177MPa，位于主梁跨中下方。满足强度和刚度要求。
图12 小车位于门机跨中，承栽60t+1.2t+g的整机应力分布图
5.工况五
小车位于门机跨中，刚性支腿和柔性支腿均固定(以小车走向为X方向，大车走向为Y方向，垂直地面的方向为Z方向)。承受60t的基本载荷(方向垂直向下)、1.2t的冲击载荷(方向沿X向)，冲击载荷位于柔性支腿与轨道的接触处。材料属性与工况一相同，其分析结果如图13和图14所示。整机最大等效应力值为lOBMPa，小于材料许用应力177MPa，位于主梁跨中下方，满足强度和钢度要求。
图13 小车位于门机跨中，承栽60t+1.2t的整机应力分布图
图14 小车位于门机跨中，承载60t+1.2t的整机位移分布图
三、结论与建议
通过上述计算表明，此桁架起重机装置的强度、静刚度及动刚度在控制系统没有问题的情况下均满足设计要求。如果控制系统出现问题，将会导致起重机结构的破坏，所以要避免这种情况的发生。SolidWorks为设计人员提供了设计与分析验证一体化的解决方案，解决了过去长期困扰工程技术人员计算分析困难的问题，帮助设计人员在设计的同时完成工程分析及计算，不但节省了材料用量，还能将设计结果成功把握。
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