堆取料机门座架有限元分析

摘要：堆取料机门座架处于机器下方，起着支撑整台机器和联接行走机构的作用，门座架的安全性与可靠性对整台机器的安全运行十分重要。若门座架的强度、刚度不足，都会对门座架及整机造成威胁 为了提高门座架的安全可靠性，文章利用有限元分析软件ABAQUS建立了门座架的有限元模型，并进行静力学分析。

关键词：轮堆取料机，门座架，有限元

FEM Simulation of the portal frame stacker reclaime

GuoPeirong

(Sinoma(Yangzhou)Machine Manufacture Co.,Ltd.)

Abstract: stacker reclaimer portal frame is below the whole machine，play support and join the machine running the whole body，the door mounts on the safety and reliability of the safe operation of the whole machine is very important．If the portal flame strength，stiffness lack of door mounts and the machine will cause insecurity．In order to improve safety and reliability of door mounts，we use finite element analysis software ABAQUS to establish the portal flame finite element model，Perform static analysis．

Key words: Abaqus,wheel-shaft,nonlinear

中图分类号： TH237 文献标识码： A 文章编号：

1引言

堆取料机是一种广泛应用于港口、电力、煤炭、冶金等行业的大型散料输送设备。门座为行走机构与回转平台的中间联接结构，目前门座的设计比较成熟，结构形式也比较多，常用的结构形式有四支腿、侧三支腿、正三点支撑四支腿及板凳梁形式。四支腿形式具有刚性好、抗倾翻力矩大的优点，侧三支腿回转中心与地面系统的其中的一条带式输送机中心重合，腿压分配合理，正三点支撑四支腿轮压分配比较均匀，在大型斗轮堆取料机上广泛采用，板凳梁结构形式简单，易于加工制造。在斗轮堆取料机工作过程中，门座架要承受很大的倾覆力矩，门座座架的安全性和可靠性对整机的安全运行至关重要，因此需要保证门座的强度与刚度。传统的设计方法主要是凭借经验，由于过于强调安全性，常常会造成外形尺寸偏大，而不易发现产品中的薄弱环节。采用有限元方法，在产品设计初期就能发现并修正存在的问题，为产品的设计和优化提供很大的便利。本文选取四支腿侧式回转堆取料机(图1所示，总重135吨)门座(图2所示)进行研究，按照实际工况，采用有限元软件ABAQUS建 立了门座的有限元模型，对其进行静力学分析，得到了门座的应力应变值，针对门座架法兰处变形过大问题，提出了解决方案并进行设计计算，计算后的门座法兰变形满足使用要求，门座架的安全可靠性得到了保证，可将分析结果应用于生产实际。

图1

2门座强度刚度分析

门座设计的好坏，直接影响整机的安全，对门座进行强度与刚度分析，可判断其可靠性。在此基础上进行结构改进或优化设汁，可减小应力，提高产品的可靠性。

2.1门座弹性有限元求解方法

以门座架单元节点位移为基本未知数，依据变分原理中的最小势能原理来建立有限元求解方程。

单元内任一点位移的矩阵形式可用下式表示：

{w}=[N]{u}(e)(1)

式中，{w}为单元内任一点的位移列向量；[N]为形函数矩阵；{u}(e)为单元的节点位移列向量。

利用几何方程，由表达式(1)导出的用节点位移表示单元内任意一点应变的关系式为：

{ε}=[B]{u}(e) (2)

式中，{ε}为单元内任一点的应变列向量；[B]为单元应变矩阵。

利用物理方程，进一步由表达式(2)导出用节点表示单元应力的关系式：

{σ}=[D][B]{u}(e)(3)

式中，{σ}为单元内任一点的应力列向量；[D]为与单元材料有关的弹性矩阵。根据虚功原理，建立各单元节点力和节点位移之间的关系式：

{P}(e)=[k] (e){u}(e)(4)

式中，[k] (e)=∫∫∫[B]T[D][B]dxdydz称为单元刚度矩阵；{p}(e) 为单元的节点力列向量。集合所有单元的刚度方程，利用最小势能原理建立结构的节点荷载和节点位移之间的关系式：

[K]{u}={P} (5)

式中，[K]为整体刚度矩阵；{P}为结构荷载矩阵；{U}为结构位移矩阵。

引入位移和载荷边界条件，对式(5)形成的大型方程组求解，即可求出结构节点位移，进而通过式(2)、(3)求出结构的应力和应变。

图2

2.2有限元模型的建立

门座分析忽略焊接残余应力，将焊接搭接以及其他细节处理成母体结构；忽略螺栓孔对门座强度与刚度的影响。门座的材料为Q235B，弹性模量为205GPa，泊松比为0.3，密度ρ=7.85 g/cm³。门座采用C3D20R线性减缩积分单元，多数采用结构化网格，部分采用扫掠网格。

2.3门座架基本失效理论

由于门座架的结构件材料为Q235B，为低碳钢，结构失效形式一般为塑性屈服。因此采用第四强度理论对其进行von mise应力评价。

第四强度理论的意义为：在任意应力状态下，材料不发生破坏的条件是：

≤[σ]

式中，，分别为第一、第二、第三主应力，[σ]为许用应力。

[σ]=

其中σs为屈服强度，n为安全系数，则：

≤

3门座架计算结果分析

根据JB/T8849—2005《移动式散料连续搬运没备钢结构设计规范》规定，门座架有限元强度计算主要进行静强度计算，这是考虑到门座在实际丁作中基本是以静力状态存在的，虽然在堆取料有行走及回转运动，但其速度较小且处于匀速状态。其组合载荷按I类载荷，安全系数n=1.5，门座最大许用应力[σ]==235/1.5=157MPa，主体最大允许变形为f=6000/1000=6mm，法兰最大变形为1786/1000=1.786mm。其计算结果如图3和图4所示。最大应力值在法兰与主体连接处，，应力值为106 MPa，未超出许用应力值157MPa，无需加强。最大变形在法兰上，为3.7 mm，变形不满足要求。

图3

图4

4解决方案

从上面的结果中可以发现，法兰处的设计是不符合要求的，根据存在的问题，采用以下整改方案：

法兰出增加筋板，使得法兰处的位移满足设计、使用要求。

修改后的位移如图5所示，满足要求。至此完成分析作业。

图五

5结论

基于Abaqus软件进行仿真分析，可以快速有效确定设计方案的可行性，缩短研发周期，减少试验费用，在设计阶段完成结构性能的风险预测并有效高进。

参考文献

[1]石亦平，周玉蓉. ABAQUS有限元分析实例详解 北京：机械工业出版社，2006

[2]赵腾伦等. ABAQUS 6.6在机械工程中的应用 北京：中国水利水电出版社，2007

[3]刘展等. ABAQUS 6.6基础教程与实例详解 北京：中国水利水电出版社，2008

[4]张建华，丁磊. ABAQUS基础入门与案例精通 北京：电子工业出版社，2012

[5]成大先等. 机械设计手册(第5版) 北京：化学工业出版社，2007