QTZ630塔式起重機(jī)臂架有限元分析

李常勝 郭秀云 梁建明 張?zhí)m娣 王少雷

河北建筑工程學(xué)院

0 前 言

塔式起重機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)與民用建筑的主要施工機(jī)械之一.QTZ630塔式起重機(jī)是為滿(mǎn)足中高層建筑施工、設(shè)備安裝而設(shè)計(jì)的新型起重運(yùn)輸機(jī)械,它廣泛地適用于多層和高層民用建筑,多層大跨度工業(yè)廠(chǎng)房,及采用滑模施工的高大煙囪和筒倉(cāng)等塔型建筑物的施工,也可用于港口,貨場(chǎng)的裝卸.本機(jī)性能先進(jìn),結(jié)構(gòu)合理,操作簡(jiǎn)單,使用安全.主要特點(diǎn)起升高,附著時(shí)可達(dá)140米,工作幅度大,可達(dá)55米.

本設(shè)計(jì)按照整機(jī)主要性能參數(shù),確定了吊臂的結(jié)構(gòu)參數(shù),并按照吊臂端部加載、跨中加載和根部加載三種工況分析.通過(guò)對(duì)吊臂作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化,應(yīng)用ANSYS軟件建立吊臂有限元模型,對(duì)各工況施加載荷,進(jìn)而得到各節(jié)點(diǎn)受力情況,及各單元所受軸向力、軸向應(yīng)力大小,及各工況下吊臂的變形撓度大小,清楚地展現(xiàn)了各工況下吊臂的受力性能.從而獲得吊臂的最終參數(shù)結(jié)果.

1 吊點(diǎn)位置的選擇(見(jiàn)參考文獻(xiàn)(4))

單吊點(diǎn)小車(chē)變幅臂架是靜定結(jié)構(gòu),而雙吊點(diǎn)小車(chē)變幅臂架是超靜定結(jié)構(gòu).對(duì)于大幅度塔式起重機(jī),采用單吊點(diǎn)同采用雙吊點(diǎn)相比,在相同工況下,單吊點(diǎn)吊臂變形撓度大,臂架自重將會(huì)有明顯的加大,致使用鋼量加大,成本加大,采用雙吊點(diǎn),將會(huì)改善吊臂的受力狀況,同單吊點(diǎn)相比,自重減輕5%-10%

由第一吊點(diǎn)位置L1=0.27 L,第二吊點(diǎn)為L(zhǎng)2=L,初選第一吊點(diǎn)位置距吊臂根部為12.685 m,第二吊點(diǎn)取三個(gè)位置分別距吊臂根部距離為35.795 m,37.445 m,39.095 m.通過(guò)后續(xù)過(guò)程的有限元分析計(jì)算,分別對(duì)該三種組合進(jìn)行分析,對(duì)比分析結(jié)果,選擇最優(yōu)組合.

2 有限元模型建立過(guò)程的幾點(diǎn)簡(jiǎn)化

2.1 自重及風(fēng)載荷的簡(jiǎn)化

對(duì)于吊臂自重,簡(jiǎn)化為集中力均加于上弦桿的節(jié)點(diǎn)上.風(fēng)載荷作為集中力均加于迎風(fēng)面下弦桿的節(jié)點(diǎn)處.

2.2 吊點(diǎn)處約束的確定

為與現(xiàn)實(shí)更為符合,此次建模將于實(shí)際情況一樣將用拉桿限制吊點(diǎn)約束,再將拉桿的另一端,即塔頂處,加除一轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以外的五個(gè)自由度給以約束,這樣便能使分析結(jié)果更加與實(shí)際接近.

2.3 單元類(lèi)型選擇

通過(guò)對(duì)吊臂的簡(jiǎn)化,忽略吊臂間的聯(lián)系,把吊臂看成均勻的空間鋼架.上下弦桿設(shè)置為壓彎單元,腹桿設(shè)置為空間鏈單元.

2.4 模型生成及分析過(guò)程

先生成節(jié)點(diǎn),通過(guò)節(jié)點(diǎn)生成單元,再施加載荷,在施加載荷時(shí),在每組吊點(diǎn)組合中,分別按三種工況加載,分別在吊臂最大有效幅度處,跨中處,吊臂最小有效幅度處.在分析中修改模型三次(三個(gè)吊點(diǎn)位置),每個(gè)模型分別按三個(gè)工況加載.

3 吊臂結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算

3.1 分析流程及程序

此設(shè)計(jì)中吊臂結(jié)構(gòu)的有限元分析計(jì)算采用了ANSYS軟件,其整個(gè)分析程序流程圖如圖1:

圖1 吊臂結(jié)構(gòu)有限元流程圖

3.2 55米臂模型的建立

通過(guò)坐標(biāo)生成節(jié)點(diǎn),通過(guò)節(jié)點(diǎn)生成單元,忽略節(jié)間連接,把吊臂看成均勻的空間鋼架,上下弦桿采用Beam4單元類(lèi)型,腹桿采用Link8單元類(lèi)型,第一吊點(diǎn)位置去距吊臂根部距離12.685 m,第二吊點(diǎn)位置分別取37.445 m與39.095 m兩處一座比較.吊臂自重均加于上弦桿,工作載荷按在吊臂端部、跨中、根部三位置加載.如圖2.

圖2 加完自重及位移約束模型圖

3.3 第二吊點(diǎn)位于37.445 m處的計(jì)算

對(duì)模型施加載荷和位移約束,即可對(duì)模型進(jìn)行有限元計(jì)算,結(jié)果如圖3、圖4、圖5.

圖3 工作載荷位于端部變形圖

圖4 工作載荷位于跨中變形圖

圖5 工作載荷位于吊臂根部變形圖

3.4 第二吊點(diǎn)位于39.095處的計(jì)算

對(duì)模型求解的結(jié)果如圖6、圖7、圖8.

圖6 工作載荷位于端部變形圖

圖7 工作載荷位于跨中變形圖

圖8 工作載荷位于吊臂根部變形圖

3.5 兩種吊點(diǎn)位置計(jì)算結(jié)果的比較

對(duì)上述兩位置的吊臂通過(guò)ANSYS有限元軟件計(jì)算得出吊臂在不同工況下的最大撓度、單元軸向力最大值如表2.

表2 兩種計(jì)算結(jié)果比較

4 結(jié) 論

(1)吊臂為空間桁架結(jié)構(gòu),理論計(jì)算較為復(fù)雜,而應(yīng)用ANSYS有限元軟件計(jì)算則行之有效.

(2)通過(guò)ANSYS計(jì)算表明:吊點(diǎn)位置的不同對(duì)撓度及軸向壓力有很大影響,綜合分析第二吊點(diǎn)位于39.095 m處吊臂受力性能優(yōu)于第二吊點(diǎn)位于37.445 m處.

[1]白葳、喻海良編著,通用有限元分析ANSYS8.0基礎(chǔ)教程.北京:清華大學(xué)出版社,2005

[2]龔曙光主編,ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析,北京,機(jī)械工業(yè)出版社,2003

[3]GB/T13792-92,塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范,北京,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993

[4]劉佩衡主編.塔式起重機(jī)使用手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002