受福建省特种设备监督检验所的委托，采用大型有限元结构分析软件ANSYS对福建马尾造船厂的SDMQ1260/60E型门座起重机进行了强度和刚度计算分析，为该起重机的安全运行提供依据。
根据该起重机的运行状况、无损探伤结果和事故后维修情况综合分析，决定对起重机整体结构进行强度和刚度分析，重点分析起重臂、转柱和大平衡架的强度和刚度。
1 力学模型及有限元划分
该起重机的转柱、门架和起重臂等构成一空间杆系结构，可简化成刚架结构，主要用梁单元进行分析计算；大平衡架为钢板焊接而成的箱体结构，应采用三维实体单元进行分析计算。
根据SDMQ1260/60E型门座起重机的结构特点和受力特点，可把起重机的转柱结构、门架结构和起重臂一起简化成空间杆系结构，采用ANSYS提供的空间梁单元BEAM188进行离散化，整个结构共划分了9920个单元，18717个节点。整体的有限元网格如图1所示，图2给出了转柱上部局部网格图，图3给出了转柱下部和门架局部网格图，图4为起重臂局部网格图。
图1 起重机的转柱结构、门架结构和起重臂网格图
图2 转柱上部局部网格图
图3 转柱下部和门架局部网格图
图4起重臂局部网格图
图5 大平衡架网格图
2 计算结果与分析
采用ANSYS结构有限元分析程序对上面建立的转柱、门架和起重臂有限元模型和大平衡架有限元模型进行强度、刚度分析。
2.1转柱、门架和起重臂部分
表2给出了在起吊重量为60t时，转柱、门架各截面上的变形值和应力值，其截面号为图2和图3中的号码（下同）。表3给出了起吊重量为60t时，起重臂各截面变形值和应力值，其截面号为图4中的号码（下同）。表中x表示水平纵向，y表示铅垂方向。
由表2 可知，在60t起吊位置时，不管起重机是否工作，其转柱的最大变形位于转柱最上部，而von Mises等效应力最大出现在转柱6、7截面上。
表2 起吊60t重量时起重机转柱、门架各截面变形值和应力值
截面
| 空 载（工况1：）
| 满 载（工况2：）
|
Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
| Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
|
1-1
| -50.76
| -2.37
| 50.81
| 27.66
| 119.67
| -20.07
| 121.34
| 41.87
|
2-2
| -39.42
| -2.39
| 39.50
| 29.59
| 95.18
| -19.93
| 97.24
| 42.51
|
3-3
| -30.96
| -2.56
| 31.07
| 32.51
| 75.76
| -19.52
| 78.23
| 46.97
|
4-4
| -23.17
| -2.73
| 23.33
| 33.42
| 57.68
| -19.12
| 60.77
| 47.03
|
5-5
| -16.27
| -2.96
| 16.54
| 36.99
| 40.87
| -18.58
| 44.90
| 57.04
|
6-6
| -6.70
| -3.18
| 7.41
| 64.09
| 17.76
| -18.05
| 25.32
| 95.76
|
7-7
| -1.45
| -3.32
| 3.63
| 52.99
| 3.68
| -17.06
| 17.45
| 113.44
|
8-8
| 3.36
| -3.94
| 5.76
| 13.41
| -8.72
| -15.56
| 17.84
| 30.05
|
9-9
| -0.12
| -0.42
| 1.45
| 16.29
| 0.16
| -0.62
| 0.64
| 28.58
|
由表3可知，不管起重机是否工作，其起重臂上各截面挠度沿着x轴逐渐增大，但各截面上的von Mises等效应力变化不大。
图6～8、10～12、14～16、18～20和22～24中单位为m，图9、13、17、21和图25中的单位为Pa。
表3 起吊起吊60t重量时起重机起重臂各截面变形值和应力值
截面
| 空 载（工况1：）
| 满 载（工况2：）
|
Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
| Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（Mpa）
|
1-1
| -7.44
| -2.93
| 8.00
| 10.29
| 24.67
| -20.61
| 32.14
| 49.32
|
2-2
| -9.27
| -2.43
| 9.58
| 18.60
| 43.68
| -27.08
| 51.39
| 91.18
|
3-3
| -14.50
| -1.14
| 14.54
| 18.11
| 96.64
| -45.55
| 106.83
| 86.86
|
4-4
| -21.37
| 0.65
| 21.38
| 19.53
| 148.53
| -63.79
| 161.65
| 83.60
|
5-5
| -28.89
| 3.10
| 29.06
| 18.81
| 198.66
| -84.69
| 215.96
| 82.67
|
6-6
| -37.69
| 6.01
| 38.17
| 18.96
| 247.81
| -105.24
| 269.24
| 82.70
|
7-7
| -47.84
| 9.50
| 48.77
| 18.97
| 295.87
| -125.37
| 321.34
| 81.77
|
8-8
| -59.34
| 13.44
| 60.85
| 20.72
| 342.79
| -145.06
| 372.22
| 82.30
|
9-9
| -72.08
| 17.94
| 74.29
| 17.38
| 388.64
| -164.31
| 421.95
| 83.07
|
10-10
| -85.37
| 23.43
| 88.53
| 13.52
| 432.86
| -185.54
| 470.90
| 83.51
|
11-11
| -100.00
| 29.58
| 104.29
| 11.91
| 475.67
| -205.85
| 518.29
| 73.62
|
表4给出了在起吊重量为31t且起重臂伸长至最大幅度时，转柱、门架各截面上的变形值和应力值。表5给出了起吊重量为31 t且起重臂伸长至最大幅度时，起重臂各截面变形值和应力值。
表4 起吊31t重量起重臂为最大伸长幅度时转柱、门架各截面变形值和应力值
截面
| 空 载（工况3：）
| 满 载（工况4：）
|
Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
| Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
|
1-1
| -25.38
| -4.95
| 25.86
| 22.22
| 160.32
| -23.89
| 162.09
| 54.22
|
2-2
| -19.61
| -4.86
| 20.20
| 21.83
| 125.74
| -23.23
| 127.87
| 74.60
|
3-3
| -15.49
| -4.86
| 16.24
| 21.90
| 98.51
| -22.23
| 100.99
| 75.85
|
4-4
| -11.55
| -4.86
| 12.53
| 22.84
| 74.23
| -21.23
| 77.21
| 84.92
|
5-5
| -8.18
| -4.88
| 9.53
| 24.64
| 51.83
| -20.02
| 55.56
| 97.18
|
6-6
| -3.25
| -4.80
| 5.89
| 55.49
| 22.29
| -18.80
| 29.16
| 100.26
|
7-7
| -0.73
| -4.89
| 4.95
| 38.55
| 4.71
| -17.66
| 18.28
| 130.59
|
8-8
| 1.65
| -5.21
| 5.47
| 9.41
| -10.87
| -15.76
| 19.14
| 40.90
|
9-9
| 0.07
| -0.30
| 0.31
| 13.87
| 0.19
| -0.65
| 0.68
| 31.88
|
表5 起吊31t重量起重臂为最大伸长幅度时起重臂各截面变形值和应力值
截面
| 满 载（工况3：）
| 满 载（工况4：）
|
Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
| Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（Mpa）
|
1-1
| -3.01
| -4.91
| 5.76
| 19.25
| 28.34
| -23.97
| 37.11
| 49.24
|
2-2
| -1.77
| -6.28
| 6.53
| 22.15
| 42.13
| -38.95
| 57.38
| 56.94
|
3-3
| 1.61
| -10.51
| 10.63
| 22.63
| 81.40
| -82.50
| 115.90
| 54.51
|
4-4
| 2.78
| -12.55
| 12.86
| 28.46
| 119.20
| -124.84
| 172.61
| 57.93
|
5-5
| 2.81
| -13.51
| 13.80
| 27.59
| 153.71
| -168.35
| 227.97
| 58.49
|
6-6
| 1.10
| -12.48
| 12.53
| 28.29
| 186.87
| -210.38
| 281.39
| 59.80
|
7-7
| -2.44
| -9.24
| 9.57
| 28.10
| 218.52
| -250.63
| 332.52
| 60.11
|
8-8
| -7.82
| -3.76
| 8.69
| 27.26
| 248.60
| -288.98
| 381.20
| 59.27
|
9-9
| -14.89
| 3.87
| 15.40
| 27.83
| 277.20
| -325.48
| 427.53
| 61.08
|
10-10
| -22.57
| 13.26
| 26.19
| 22.15
| 303.15
| -362.05
| 472.21
| 57.83
|
11-11
| -32.02
| 25.17
| 40.73
| 21.70
| 327.44
| -396.25
| 514.04
| 55.08
|
表6给出了起重臂水平摆放时考虑自重引起的转柱和起重臂各截面变形值和应力值。
表6起重臂水平摆放时考虑自重引起的转柱和起重臂各截面变形值和应力值
截面
| 转柱、门架各截面
| 起重臂各截面
|
Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
| Ux（mm）
| Uy（mm）
| U（mm）
| 应力值
（MPa）
|
1-1
| -12.34
| -6.19
| 13.81
| 18.05
| -1.19
| -6.38
| 6.49
| 25.58
|
2-2
| -9.64
| -5.98
| 11.34
| 18.99
| -0.91
| -10.74
| 10.78
| 22.62
|
3-3
| -7.90
| -5.84
| 9.83
| 19.29
| -0.59
| -23.33
| 23.33
| 24.04
|
4-4
| -5.95
| -5.69
| 8.23
| 16.50
| -0.67
| -32.10
| 32.10
| 32.12
|
5-5
| -4.38
| -5.55
| 7.07
| 17.43
| -1.33
| -38.90
| 38.92
| 32.28
|
6-6
| -1.65
| -5.41
| 5.65
| 49.30
| -2.11
| -42.38
| 42.44
| 33.83
|
7-7
| -0.38
| -5.34
| 5.35
| 31.14
| -2.93
| -42.22
| 42.33
| 33.32
|
8-8
| 0.89
| -5.51
| 5.59
| 4.20
| -3.73
| -38.36
| 38.54
| 38.15
|
9-9
| 0.05
| -0.25
| 0.27
| 12.38
| -4.46
| -31.02
| 31.34
| 34.09
|
10-10
| | | | | -4.66
| -21.42
| 21.93
| 29.30
|
11-11
| | | | | -4.54
| -7.91
| 9.12
| 27.48
|
图6 60t起吊位置时起重机自重引起的整体变形图
2.2大平衡架部分
大平衡架在起重机空载（既载荷为起重机的自重和配重共计380t）时，其Von Mises等效应力分布情况见图23和图24，图上的单位为Pa（下同），由图上可知，除倒V口尖端(图中A点)部分以外，其他所有区域的Von Mises等效应力均在120MPa以下。在倒V口尖端部发生应力集中，局部峰值应力为157MPa。图25 为大平衡架考虑起重机自重时变形图，其最大变形发生在X＝2.25m的对称面上，其数值为2.6mm。
图7 大平衡架考虑起重机自重时Von Mises等效应力图
科研项目