起重机设计需要做仿真分析吗？
一.意义和必要性：为什么必须做？
1. 确保安全性与可靠性（核心意义）
避免灾难性事故:起重机是特种设备，一旦失效可能导致设备损毁、生产停滞，甚至人员伤亡。力学计算和仿真可以精确预测结构在最恶劣工况下的应力、变形和稳定性，确保其有足够的强度、刚度和稳定性，防止断裂、倾覆或失稳。
发现潜在风险： 肉眼和经验无法看到结构内部的应力分布。仿真可以直观地显示“应力集中”区域（比如焊缝根部、开孔附近），这些地方是疲劳裂纹的起源点。提前发现并优化，能极大提升产品的寿命和可靠性。
2. 优化设计，降本增效
从“够笨重”到“够精悍”：传统经验设计往往为了保险，会加大安全系数，导致结构笨重、用料过多、成本高昂。通过仿真，可以在保证安全的前提下，寻找最优的材料分布，去除冗余材料，实现轻量化设计，直接降低材料和制造成本。
性能预测与方案对比：在设计初期，可能有多个方案（如单梁 vs 双梁，不同截面形式）。通过仿真可以快速比较不同方案的力学性能，选择最优解，避免后期推倒重来的巨大浪费。
3. 验证设计与法规符合性
满足标准规范：国内外起重机设计规范（如FEM、DIN、GB/T 3811等）都要求进行严格的力学计算。仿真分析报告是向客户和监管机构证明产品合规的重要技术文件。
弥补公式计算的不足：标准中的理论公式通常适用于简单结构。对于复杂的空间结构、局部结构（如司机室、吊耳等），公式无法准确计算，必须依赖有限元仿真。
4. 缩短研发周期，加速创新
"数字样机”替代“物理样机”：在制造物理样机之前，绝大部分设计缺陷都可以在仿真阶段被发现和修正。这极大地减少了试制、测试、修改的迭代次数，缩短了产品上市时间。
探索前沿设计：对于新型、非标的起重机，没有成熟经验可循。仿真为创新设计提供了安全可靠的验证平台，让您敢于尝试更高效、更轻便的结构形式。
总结必要性：
不做力学计算和仿真，就如同蒙着眼睛在悬崖边开车。您可能凭借经验安全开一段，但无法预知下一个弯道会不会冲出路面。在现代竞争环境下，设计靠经验，验证靠仿真”已成为行业标准流程。
二、如何做仿真：一个清晰的工作流程
对于起重机，仿真分析主要分为结构静力学分析、结构动力学分析和疲劳分析三大块。静力学是基础，动力学和疲劳是深化。
以下是midas NFX的仿真流程，和传统的FEM(有限元)软件一样，
总体流程是：前处理 → 求解 → 后处理
第一步：明确分析目标与工况
确定分析类型：是只计算静强度？还是要看吊重起升、下降时的动载效应？或者需要评估其长期使用的疲劳寿命？
确定极限工况： 根据国家标准和实际使用情况，确定起重机最危险的几种工作状态。例如：
工况A：额定载荷，位于主梁跨中。
工况B：额定载荷，位于悬臂端极限位置。
工况C：承受侧向风载、惯性载荷等组合工况。
工况D：模拟试验载荷（如1.25倍额定载荷）。
第二步：几何建模与简化
从您的三维设计软件中将起重机金属结构的总装体导入仿真软件。
方案A（直接建模）： MIDAS NFX具备几何建模功能，可直接创建或修改几何体
方案B（CAD集成）：直接导入三维CAD软件中完成详细设计，midas NFX可无缝与常用的商用CAD软件或通用格式（如 STEP、IGES）接口将模型导入 MIDAS NFX
几何清理与简化：这是非常关键的一步！真实的模型有很多倒角、小孔、螺栓等。为了节约计算资源，需要简化： MIDAS NFX 提供了丰富的几何清理工具，可以快速消除小特征，去掉对整体强度影响不大的小圆角、小孔、铭牌等。创建梁单元 （用于杆系结构）、 创建中面并抽壳（用于薄板结构），这对于由钢板组成的起重机结构来说效率极高
理想化处理：将薄板结构用“壳单元”模拟，粗大结构用“实体单元”模拟。将螺栓连接、焊缝等进行合理的简化（如用“绑定接触”或“梁连接”模拟）
第三步：定义材料属性
为模型的各个部分赋予正确的材料， 在MIDAS NFX的材料库中，通常已经内置了常用的钢材材料（如Q235B, Q345B），可以直接调用，非常方便。
必须输入的关键参数：弹性模量、泊松比、密度、屈服强度。如果进行疲劳分析，还需要材料的S-N曲线。
第四步：网格划分
将几何模型离散化：把连续的模型划分成无数个小的、简单的单元（如四面体、六面体），这个过程就像用乐高积木去拼一个复杂形状。MIDAS NFX 提供高质量的自动四面体和六面体网格划分功能。对于起重机这种复杂装配体，可以快速生成初始网格。
网格控制：对于关键区域，如焊缝、吊耳、轨道接触处、开孔周围，可以方便地进行局部网格加密，确保这些应力集中区域的计算精度。
接触网格：对于需要考虑部件之间接触和传力的区域（如小车车轮与轨道的接触），其接触网格功能非常实用。
网格质量与密度：网格越密，精度通常越高，但计算时间越长。在应力集中区域需要加密网格。要确保网格质量（如翘曲度、长宽比）良好，否则会影响结果准确性。
第五步：施加载荷与约束
施加约束：
模拟起重机与基础的连接方式。例如，门式起重机的支腿与轨道连接处施加铰接或固接约束；桥式起重机的大梁与端梁连接处施加相应的约束。
midas NFX提供铰接支座（释放特定方向的转动）、滑动支座、固定支座选项等
施加载荷：
自重：软件通常可以自动施加。
吊重载荷：根据工况，将集中力或均布力施加在吊点或小车车轮接触区域。
注意：动态载荷需要通过“动载系数”放大为静力来模拟。
移动载荷： 这是起重机分析的关键！MIDAS NFX 可以方便地定义移动负载，模拟小车在主梁上移动的过程，自动计算不同位置时的最不利效应。
其他载荷：风载荷、惯性载荷（大车/小车启动、制动）、碰撞载荷等。
第六步：求解计算
定义分析工况后点击“运行”按钮，软件会求解庞大的方程组。这一步交给计算机即可。
线性静力学分析：
最基础、最常用的分析，用于校核强度和刚度。
非线性分析：
如果需要考虑大变形（如柔性很大的梁）、材料非线性（塑性分析）或复杂的接触状态（如螺栓连接的滑移）等
屈曲分析：
校核主梁、支腿等压弯构件的稳定性，防止失稳。
动力学分析：
分析结构的模态（固有频率和振型）、响应谱（地震分析）和瞬态动力学（启动/制动过程的动态响应）。midas NFX内置各个国家抗震反应谱，考虑缺失质量及刚性响应
疲劳分析：基于应力结果和载荷谱，预测结构在反复使用下的疲劳寿命，对于起重机这种循环工作的设备至关重要。
第七步：后处理与结果分析
查看云图：
等效应力云图：查看最大应力点在哪里，是否超过材料的屈服强度（安全系数 = 屈服强度 / 最大应力）。
位移/变形云图：查看最大变形量，确保其在允许范围内（如标准规定主梁挠度 ≤ L/700 ~ L/1000）。
安全系数云图：直接显示各区域的安全系数分布。
报告与判断：
生成详细的分析报告。
将仿真结果与标准规范、设计要求进行对比，判断设计是否合格。
第八步：设计优化
MIDAS NFX 内置了尺寸优化和拓扑优化功能，如果结果不满足要求（应力过大或变形过大） 可以设定一个目标（如质量最轻），并给定约束条件（最大应力<许用应力，最大位移<许用位移），让软件自动寻找最优的板厚尺寸或形状变化，真正实现仿真驱动设计优化。
对初学者实践建议：
1. 从静力学开始：先熟练掌握结构静力学分析，这是所有分析的基础。
2. 理论与实践结合：将仿真结果与经典理论公式（如材料力学、结构力学）的计算结果进行对比，验证仿真设置的正确性。
3. 积累经验：特别注意不同工况、约束方式、载荷施加方法的合理设置，这些需要不断积累经验。
4. 关注细节： 起重机的破坏往往发生在局部（焊缝、开孔、支撑处），因此局部精细化的仿真非常重要。
总之，力学计算和仿真分析是您手中的“超级放大镜”和“数字试验机”，它将您的设计经验量化、可视化，让您从一个“画图工程师”真正转变为一个能够预见和掌控产品性能的“研发工程师”。掌握它，将是您职业生涯中极具价值的一项能力。
对于起重机设计而言，为什么选择 MIDAS NFX
1. 专业性： 对钢结构、焊接结构分析的支持非常好，操作流程贴合工程师习惯。
2. 非线性能力：能够处理起重机中大量存在的接触非线性问题，结果更精确。
3. 集成化平台：从几何到网格、求解到优化，在一个界面内完成，无需在不同软件间切换，提高效率。
4. 疲劳分析和优化设计：专门针对承受循环载荷的设备进行寿命预测。以及通过轻量化设计获得性能更佳的产品。
为了更简化仿真分析的流程，以及降低仿真分析人为操作因素的影响，历经四年，midas 结合在CAE 行业中20年的经验，研发了无网格划分的快速分析工具-midas MeshFree，可以十分钟完成一款产品的力学计算。
