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摘要：起重机械大车常用的梁有箱式梁和桁架式梁，对于大跨度承重梁，为便于加工及运输，常采用分段加工法制造，而各段拼接普遍使用高强螺栓连接。螺栓连接需要打孔，因而在开孔位置就会存在应力集中问题，本文在分析方法上采取数值计算法，用Ansys建立模型，在受力状态下对孔径大小、孔不同分布进行应力集中问题分析。得出结论为：板尺寸一样、相同位置开孔时，孔径越大应力集中度越高；对于多孔板，孔间间距大小对孔边应力分布和应力相对集中度有较大影响。
关键词：应力集中；带孔板；有限元；起重机械
0引言
起重机是指在一定范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械。又称天车，航吊，吊车。工业生产中企业规模的逐步扩大和人类智慧发挥出的对自动化程度的提高，起重机的作用在现代生产和生活过程中起到也随之越来越重要，对起重机各个方面的要求也更加严格[1]。起重机械大车常用的梁有箱式梁和桁架式梁，对于大跨度承重梁，为便于加工及运输，常采用分段加工法制造，而各段拼接普遍使用高强螺栓连接。螺栓连接需要打孔，因而在开孔位置就会存在应力集中问题。近年来计算机和有限元法以及边界元法的迅速发展，为寻找应力集中的数值解开辟了新途径。
1计算模型的建立
利用Ansys模拟带孔弹性板的受力状态，选择合适的分析模型、分析方法、处理数据，分析带孔板的孔边应力集中现象。分析孔径变化对孔边应力的影响，总结其变化规律；分析多孔板的孔间横向和纵向间距对孔边应力的影响，总结其变化规律。以单孔板模型孔径变化对应力集中问题进
行探讨，板的尺寸为：
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，孔的半径：。分析孔与孔之间横向间距、纵向间距对孔周应力分布的影响模型为：
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，孔的半径为：。取板的弹性模量E=201MPa，泊松比
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。
2 计算结果分析
2.1孔径变化对孔边应力集中的影响
在孔边约
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和 之间的应力最大。为了便于提取和分析数据，取最大应力方向上0.05m长线段为研究对象。
由表1可知，随着孔径的逐渐增大，孔周应力也相应增大。比较 可得孔径越大，孔边的应力越大。比较应力相对集中度K，应力集中度和孔径有关。在弯曲作用下，板尺寸一样、相同位置开孔时，孔径越大应力集中度越高。
表1 不同孔径计算结果
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图1 距离与应力关系图 图2 距离与应力关系图
观察图1、图2应力在孔边取得最大值，随着距离增大，应力呈递减趋势。曲线在 之间较陡，表明在该区段应力集中度高；曲线在以后趋于平缓，表明应力在该区域几乎不存在集中现象。
2.2多孔板开孔位置对孔边应力集中的影响
本文分析三种开孔间距情况下对孔边应力集中的影响。工况1，孔间横向间距为0.2m，纵向间距为0.1m；工况2，孔间横向间距为0.3m，纵向间距为0.1m；工况3，孔间横向间距为0.2m，纵向间距为0.2m。
2.2.1 孔间横向间距变化对应力分布的影响
为了研究孔间距对应力分布的影响，应保持纵坐标不变，而横坐标变化，故取工况一和工况二分析。应力提取路径如图4所示时，工况二对应的孔3处应力相对集中度比工况一对应的孔3处应力相对集中度低；工况二对应的孔1AB段处应力相对集中度比工况一对应的孔1AB段处应力相对集中度低；工况二对应的孔1AC段处应力相对集中度比工况一对应的孔1AC段处应力相对集中度高。
图3 mises应力图 图4 数据提取路径示意图
表2 横向坐标变化对孔边应力相对集中度K的影响
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以上分析表明：在板尺寸、约束及荷载相同情况下，当孔与孔之间只有横坐标改变时，孔边应力分布发生改变。增大孔间横向间距，孔1的孔边最大应力增大，孔3的孔边最大应力减小；在孔1的AB段，应力相对集中度减小，而在孔1的AC段上，应力相对集中度增大；在孔3的DE段上和孔3的DF段上应力相对集中度均减小。
2.2.2 孔间纵向间距变化对应力分布的影响
为了研究孔间距对应力分布的影响，应保持横坐标不变，而纵坐标变化，故取工况一和工况三分析。应力提取路径如图4所示时，工况三对应的孔3DE段应力相对集中度比工况一对应的孔3DE段应力相对集中度高，而工况三对应的3DF段应力相对集中度比工况一对应的孔3DF段应力相对集中度低；工况三对应的孔1AB段处应力相对集中度比工况一对应的孔1AB段处应力相对集中度高；工况三对应的孔1AC段处应力相对集中度比工况一对应的孔1AB段处应力相对集中度低。
表3 纵向坐标变化孔对周应力相对集中度K的影响
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以上分析表明：在板尺寸、约束及荷载相同情况下，当孔与孔之间只有纵坐标改变时，孔边应力分布发生改变。增大孔间纵向间距，孔1的孔边最大应力减小，孔3的孔边最大应力减小；在孔1的AB段上，应力相对集中度增大，而在孔3的AC段上，应力相对集中度减小；在孔1的DE段上应力相对集中度增大，孔3的DF段上应力相对集中度减小。
3 结论
在板尺寸、约束及荷载、孔心位置相同，单孔薄板受弯曲作用时，孔径越大，孔边的最大应力和应力相对集中度也增大。在板尺寸、约束及荷载、孔径相同、多孔（4孔）薄板受弯曲作用时：增大孔间横向间距，增大孔间纵向间距，孔1的孔边最大应力减小，孔3的孔边最大应力减小；在孔1的AB段上，应力相对集中度增大，而在孔3的AC段上，应力相对集中度减小；在孔1的DE段上应力相对集中度增大，孔3的DF段上应力相对集中度减小。当孔和孔之间只有纵坐标改变时，增大孔间纵向间距，孔1的孔边最大应力减小，孔3的孔边最大应力减小；在孔1的AB段上，应力相对集中度增大，而在孔3的AC段上，应力相对集中度减小；在孔1的DE段上应力相对集中度增大，孔3的DF段上应力相对集中度减小。
参考文献：
1.李子木.现代起重机的特征和发展趋势[J]，建筑机械，2005，1（6）：54-59
2.张朝晖.ANSYS12.0.结构分析工程应用实例解析[M]，北京：机械工业出版社，2010.1，12-15.
3.康亚明，杨明成.基于子模型的孔边应力集中地有限元分析[J]，湖南工程学院学报，2005，8（12）：21-24.
4.夏伟，胡成等.ANSYS子模型分析技术在处理集中应力时的应用[J]，应用数学和力学，2000，12（9）：28-32.