关键词：ANSYS 长悬臂斗轮堆取料 机俯仰钢结构

摘要：ANSYS作为一种强大的有限元分析软件，已广泛应用于机械、电子、航空航天、汽车、船舶等各个领域，是现代设计中必不可少的工具。本文基于ANSYS强大的动态分析功能，对斗轮堆取料机的设计和动态特性进行优化。得到比较理想的效果，同时缩短了设计周期和降低了设计费用，获得了比较好的效果。下面就以本次设计过程中，使用ANSYS进行动态特性分析的体会作介绍，其计算方法和结论可作为参考。

斗轮堆取料机是应用于港口、电厂、冶金企业等大型原料场重要的装卸和输送设备，现已。其性能优劣将对整个散货运输工艺系统生产效率产生举足轻重的影响。斗轮堆取料机俯仰钢结构包括臂架、拉杆组、立柱和配重架等部分。作为斗轮机的工作装置，承受着自重、物料、挖掘力，风载荷等垂直、水平及侧向等多种载荷。此外，由于结构的非对称性，还承受着附加扭矩载荷。因此，俯仰钢结构不但结构复杂，而且其受力和应力分布情况较为复杂。另一方面，它位于整个结构的上层且工作外伸距大（50m）对整机重量和轮压分布起主要影响，设计中必然要求在满足强度和刚度的条件下，尽可能减轻自重。本文以斗轮堆取料机的俯仰钢结构为研究对象，完成了斗轮机俯仰钢结构的刚度以及动态特性的分析。俯仰钢结构动态分析主要计算振型和固有频率以及动力响应，目的是了解其动态特性，从而设计合理的斗轮挖掘速度以避免发生较大的结构共振，确保结构的良好的动态特性。

如图所示，斗轮机堆取料时由头部挖掘取料，通过接料斗传递到俯仰臂架。臂架与摇架梁立柱通过铰销相连接。臂架和摇架梁立柱随着俯仰油缸的伸缩完成俯仰变位，从而适应不同料位的取料需要。为了较真实地模拟斗轮机的结构特征，更好的模拟臂架和摇架梁立柱之间的边界关系并适应模态分析需要，采用臂架和立柱整体多种单元混合建模，即包括臂架系统、立柱、拉杆组、配重架等统一建立有限元分析模型，从而更加真实反映整个俯仰钢结构的受力情况。考虑到结构位移和模态分析的需要，物料重量以及斗轮和配重等自重较大部件也在模型中统一考虑。物料、皮带机和机架的重量由质量单元MASS21模拟。结构横向联系的型钢以及销轴等主要承受拉伸、压缩和弯曲的长细比构件均采用梁单元（BEAM44）建模。拉杆两端铰接主要是轴向力，因此用杆单元LINK10模拟。斗轮堆取料机的钢结构主要由各种厚度的钢板焊接而成，臂架主梁、立柱结构完全采用板壳单元建立模型，从而反映其复杂的受力情况。SHELL63单元适合于离散类薄板和薄壳。它的节点数为4，适当增加网格密度将能够保证计算结果的精度。斗轮和配重也用壳单元SHELL63，赋一个厚度来模拟，从而保证较准确地反映实际结构的质量分布和载荷传递情况。

质量单元只需要反映出其质量分布即可，杆单元还需要给出单元截面面积。板壳单元需要给出其对应的板厚。而梁单元则不但需要单元截面积，而且需要相应截面惯性矩。

图1斗轮机俯仰钢结构计算模型 图2 斗轮机俯仰钢结构计算模型细部

1、计算结果分析

臂架水平工作时俯仰钢结构分析

臂架水平工作时俯仰钢结构合成应力分布见图3、4， 图4是最大合成应力部位局部放大。此工作位置上最大应力出现在立柱塔索与摇架梁立柱连接支座附近。

图3 俯仰钢结构合成应力 图4 俯仰钢结构合成应力，局部放大