基于ANSYS的塔式起重機結(jié)構(gòu)有限元分析計算

王 宇，盧 玲，李文韜

（吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林 132021）

0 引言

塔式起重機在工業(yè)起重與建筑施工中的應(yīng)用非常廣泛，鋼結(jié)構(gòu)作為其重要組成部分，承受著所有的外部載荷以及自身的重量，因此其結(jié)構(gòu)強度及剛度情況對塔式起重機的安全運行至關(guān)重要。

本文以某型塔式起重機為例，利用ANSYS軟件建立其有限元模型，并對之進(jìn)行分析計算，快速而準(zhǔn)確地實現(xiàn)了對此型塔機強度、剛度方面的校核。

1 有限元模型的建立

1．1 單元類型的選擇

塔式起重機為典型的桁架結(jié)構(gòu)，由塔臂、塔身與塔頂?shù)炔糠纸M成，其單元類型的選擇不僅影響到結(jié)構(gòu)離散，而且還影響到求解的速度與精度。結(jié)合塔機工作時實際的受力狀態(tài)，將位于塔臂、塔身等處的主要桿件處理為梁單元Beam188，起重臂與平衡臂的斜拉索處理為桿單元Link8，加載質(zhì)量單元于變幅機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)等質(zhì)量集中處。

1．2 模型的簡化處理

結(jié)構(gòu)的計算模型既要控制規(guī)模、又要能保證計算結(jié)果的精度，使分析計算在有限的條件下更快、更好地完成，為此在建立該型塔機的有限元模型時做了一些簡化處理：①將司機室等對分析計算結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)采取忽略處理；②把吊重和吊鉤、變幅小車的質(zhì)量一并看作起升載荷。

1．3 建立計算模型

本塔式起重機所用材料的彈性模量為210GPa、泊松比為0．3、密度為7 800kg／m3。采用編制 ANSYS命令流的方式建立了如圖1所示的塔式起重機有限元計算模型，其節(jié)點數(shù)為357、單元數(shù)為537。

2 邊界條件的處理

2．1 載荷

本次設(shè)計塔機所受載荷只考慮起升載荷與自重載荷，此處通過集中力方式施加起升載荷，而由材料密度、重力加速度與質(zhì)量單元施加自重載荷。

圖1 塔式起重機有限元模型圖

2．2 約束

對計算模型進(jìn)行約束應(yīng)以符合實際工作情況為前提，因塔身底部與地基連接且剛度較大，故將其4個節(jié)點的所有自由度全部約束，起重臂與平衡臂于根部連接回轉(zhuǎn)節(jié)，因而在臂架起升平面視為固定支座。

3 計算結(jié)果及校核

3．1 有限元分析計算結(jié)果

在此選取一種塔式起重機在最危險工作狀態(tài)下并具有一定安全系數(shù)的典型情況進(jìn)行分析計算。圖2為塔機應(yīng)力云圖，可看到最大應(yīng)力值與作用位置。圖3為塔機位移云圖，可看到最大位移值與具體發(fā)生位置。

圖2 塔式起重機應(yīng)力云圖

3．2 強度校核

為使塔式起重機安全工作，其構(gòu)件應(yīng)滿足強度條件：

σxd≤［σ］。

其中：σxd為相當(dāng)應(yīng)力；［σ］為材料的許用應(yīng)力。

因該型塔機材料為塑性材料，而第三強度理論偏向于安全，第四強度理論則與試驗資料更為吻合，所以相當(dāng)應(yīng)力在此按形狀改變比能理論確定為σxd4。通過圖2可知，塔式起重機材料滿足要求。

圖3 塔式起重機位移云圖

3．3 剛度校核

在工程實際中，結(jié)構(gòu)除應(yīng)滿足強度條件外，還要滿足剛度條件，通常要求其最大撓度或最大轉(zhuǎn)角不得超過某一規(guī)定值，即：

ymax≤［y］。

θmax≤［θ］。

其中：［y］為構(gòu)件的許用撓度；［θ］為構(gòu)件的許用轉(zhuǎn)角。

在此將塔機結(jié)構(gòu)視為整根梁，校核時只需考慮撓度條件，通過圖3可知，此塔機結(jié)構(gòu)也能滿足要求。

4 結(jié)語

從該型塔式起重機的有限元分析過程與計算結(jié)果可以總結(jié)出以下兩點：

（1）有限元法為結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)分析的有效方法，它易于將復(fù)雜的工程問題變?yōu)楹啽愕姆治鲇嬎恪?/p>

（2）此次分析中存在著諸如部分載荷對塔機結(jié)構(gòu)的影響被忽略、模型簡化相對簡單等不足，有待于日后繼續(xù)研究。

［1］ 張孟輝，殷玉楓，呂西波，等．基于ANSYS的塔式起重機結(jié)構(gòu)有限元分析［J］．起重運輸機械，2012（10）：36－39．

［2］ 張楨，馬?。贏NSYS的塔式起重機建模與分析［J］．建筑機械化，2010（8）：58－60．

［3］ 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰．材料力學(xué)［M］．北京：高等教育出版社，2009．