蜂窝梁与桁架梁对比有限元分析报告
针对现有起重设备主纵梁存在的不足之处，郑州市华中建机有限公司领导带领技术人员研发出新型的蜂窝式主梁，解决了实腹梁重量大，桁架梁刚度差的问题，且“等腰三角形蜂窝梁”获得了专利。该主梁端面为三角形，两侧斜腹上有蜂窝孔，上下部有弦杆，接头处有连接销，结构新颖、独特，安装使用方便，节约材料，（两侧的斜腹板可由一定厚的钢板沿一定的折线割开，然后错位，凸部相互焊接而成，大大降低了损耗）。受风面积小，刚度及端面模数高，承载能力大，我公司生产的蜂窝梁式起重设备一经问世，受到广大用户的好评，近几年来产品遍布大江南北，并出口东南亚、非洲等世界各地，有着显著的社会效益和经济效益。
起重机主梁的设计是根据起重机的额定载荷、跨度和起升高度选择梁型及起重机的结构形式。在国际国内使用的起重机主梁多数以箱型梁和桁架梁为主，蜂窝梁作为新型梁得不到多数设计者的认同，主要因蜂窝梁的设计计算比箱型梁和桁架梁复杂的多，传统计算对其结构得不到较准确的结果，对腹板蜂窝孔处的应力很难计算。随着有限元软件的普及应用，对蜂窝梁的强度、刚度和稳定性计算有了质的飞跃。
现将蜂窝梁与箱型梁、桁架梁对比示例分析如下：
第一种梁选用H型钢规格为H240×150×6×8。
第二种梁采用H型钢规格为H240×150×6×8制作成为六角蜂窝梁。
第三种梁选用H型钢规格为H360×150×6×8。
基本参数如下：
梁长5.4m，跨中施加载荷为20kN，弹性模量E=20600MPa，按简支梁进行计算，三种檩条有限元计算结果见下表。
|
梁型 |
H240×150×6×8 |
蜂窝梁 |
H360×150×6×8 |
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|
位移mm |
X向 |
-0.009 |
0.009 |
-0.006 |
0.006 |
-0.005 |
0.005 |
|
Y向 |
-8.9 |
0 |
-4.2 |
0 |
-3.5 |
0 |
|
|
Z向 |
0 |
1.1 |
-0.008 |
0.689 |
0 |
0.655 |
|
|
综合 |
8.9 |
4.24 |
3.49 |
||||
|
应力 |
X向 |
-10 |
11.1 |
-9.28 |
10.1 |
-10.2 |
11.2 |
|
Y向 |
-70.2 |
82.9 |
-78.4 |
39.9 |
-65.5 |
69.3 |
|
|
Z向 |
-96.6 |
82.5 |
-66.7 |
60.5 |
62.2 |
47.9 |
|
|
综合 |
92 |
76.7 |
68.6 |
||||
|
重量 |
1607.4 |
1607.4 |
1912．6 |
||||
根据计算结果可以看出，在不增加重量的情况下，蜂窝梁可明显的提高梁的刚度。
a、蜂窝梁与箱型梁相比，箱型梁的腹板中心处应力基本为零，为提高腹板的利用价值。腹板开蜂窝孔，梁的中性层面积减小，梁的惯性距减小很少。相对而言，材料的利用价值提高。
b、蜂窝梁与桁架梁相比，桁架梁一般使用近似法计算梁的静刚度。使用近似法计算梁的静刚度时，桁架梁计算的折算惯性矩一般为桁架梁上、下弦杆的惯性矩的0.7～0.8倍。现以80吨32米跨工作级别A5的门机主梁进行对比分析。主梁图如下：
根据门式起重机的挠度计算要求；80吨门机在计算挠度时，施加的载荷为额定起吊载荷与起吊小车的自重载荷（包括吊钩与吊具）。计算中的载荷约为88t。使用有限元软件计算三角桁架梁时使用BEAM4和BEAM189单元。计算三角蜂窝梁时，使用SHELL63和BEAM4单元。计算模型如下：
三角桁架梁门机
三角蜂窝梁门机
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梁型 |
三角桁架梁 |
三角蜂窝梁 |
备注 |
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|
位移mm |
X向 |
-3.77 |
0.32 |
-3.1 |
0.75 |
三角桁架梁挠跨比为1/747 |
|
Y向 |
-42.79 |
7.16 |
-38.2 |
6.4 |
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|
Z向 |
-31.4 |
0.16 |
-29.7 |
0.16 |
||
|
综合 |
50.7 |
45.7 |
||||
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应力 |
X向 |
-118 |
94.9 |
-126 |
111 |
由于三角桁架梁使用的单元为BEAM单元故Y、Z向应力未知 |
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Y向 |
|
|
-132 |
109 |
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|
Z向 |
|
|
-134 |
130 |
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|
综合 |
118 |
135 |
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重量 |
33745kg |
33319kg |
未考虑轨道、轨道夹板及梯子等重量 |
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桁架梁与蜂窝梁的高度如下：
桁架梁梁高为2450mm。
蜂窝梁梁高为2400mm。
通过两种梁的对比，桁架梁惯性距为上、下弦惯性距的0.785倍。蜂窝梁惯性距为连续面惯性距的0.974倍。故设计计算蜂窝梁时，可借鉴箱型梁进行设计。
根据我公司对蜂窝梁进行的研究，对其进行合理利用，设计制造了各种型号的架桥机，特别是近期研制的HZQ165T/32铁路架桥机，使用蜂窝孔，减轻自重，不影响强度的情况下，架桥机过孔时挠度小于460mm，小于同类产品。
我公司正在大力推进人才战略，成立技术研发中心，和多个高校技术联合，并购进先进的起重机设计软件，对蜂窝梁式主纵梁及其他项目作进一步的深入研究和优化设计。实践证明：我公司的产品安全可靠，自重轻，得到广大用户的好评，为国家各大工程建设作出了应有的贡献。
