塔式起重機(jī)塔帽靜力學(xué)有限元分析

陳 崢，董浩明，饒 剛，余 震

(1 武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武漢 430040； 2 武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

全壽命評(píng)估

塔式起重機(jī)塔帽靜力學(xué)有限元分析

陳 崢1，董浩明1，饒 剛2，余 震2

(1 武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所，湖北 武漢 430040； 2 武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430081)

以塔式起重機(jī)的塔帽為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析軟件hypermesh以及三維模型設(shè)計(jì)軟件solidworks建立起整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，討論了塔式起重機(jī)在各種工況中的臨界條件下的簡(jiǎn)化，載荷的確定和重點(diǎn)部位的應(yīng)力分析，分析所得結(jié)論可以結(jié)合hypermesh這一有限元分析軟件建立和該設(shè)備相關(guān)的有限元程序，將幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化處理之后，可投入到起重機(jī)的初步設(shè)計(jì)和相關(guān)產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)以及模擬前的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中去。

塔式起重機(jī)； 有限元分析； 靜力學(xué)分析

塔式起重機(jī)在建筑工程當(dāng)中是常用的起重設(shè)備，塔機(jī)的主要骨架由金屬構(gòu)成，該金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度決定了整個(gè)設(shè)備在工程運(yùn)用當(dāng)中的可靠性和安全性[1-3]。因而對(duì)于該結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位的應(yīng)力分析就顯得尤為重要。筆者運(yùn)用有限元分析軟件hypermesh[4]建立了塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了有效的靜力學(xué)計(jì)算分析。在此基礎(chǔ)上得到該結(jié)構(gòu)在靜載荷作用下發(fā)生的應(yīng)力分布情況。

1 塔式起重機(jī)塔帽有限元模型建立

1.1 塔式起重機(jī)塔帽的三維幾何造型

根據(jù)塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)要求，在三維造型軟件solidworks嚴(yán)格按照規(guī)定尺寸建立塔機(jī)的幾何模型(圖1)。為了讓模型的建立更加合理，在建立塔式起重機(jī)幾何模型的過(guò)程中忽略結(jié)構(gòu)阻尼，同時(shí)不考慮非線性的關(guān)系和過(guò)渡的圓角和倒角，模型的建立應(yīng)準(zhǔn)確反映實(shí)體機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，模擬受力應(yīng)與塔式起重機(jī)工作狀態(tài)保持一致，并對(duì)幾何模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理。

1.2 塔式起重機(jī)的有限元模型

在solidworks三維造型軟件中將塔機(jī)的幾何模型完整建立后，存儲(chǔ)為IGS文件格式，導(dǎo)入到有限元軟件hypermesh中，運(yùn)用2D網(wǎng)格建立精確的有限元網(wǎng)格模型(圖2)。

圖 1 塔帽三維模型

圖 2 塔機(jī)有限元模型

2 塔式起重機(jī)的工況分類

本研究主要分析塔帽塔頂和平衡臂與起重臂之間由拉桿產(chǎn)生的拉力大小和方向，現(xiàn)根據(jù)分析的具體目標(biāo)將塔式起重機(jī)的各類工況進(jìn)行分類(表1)。

表1 塔式起重機(jī)工作工況

為了保證整個(gè)模型分析的準(zhǔn)確性和便捷性，將整個(gè)塔吊的布局簡(jiǎn)化成平面來(lái)進(jìn)行分析(圖3)，圖中標(biāo)明的各個(gè)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了圓整處理(長(zhǎng)度單位：mm)。

圖 3 塔機(jī)結(jié)構(gòu)布局平面示意圖

為了方便對(duì)塔機(jī)進(jìn)行整體力學(xué)分析和各種工況的線性疊加，首先將各種工況細(xì)分為五種：(1)配重臂的自重使拉桿產(chǎn)生的拉力；(2)配重塊的自重使拉桿產(chǎn)生的拉力；(3)起吊臂的自重使拉桿產(chǎn)生的拉力；(4)小車伸出幅度最小時(shí)(14.6 m)跨端滿負(fù)荷起重時(shí)使拉桿產(chǎn)生的拉力；(5)小車伸出幅度最大時(shí)(50 m)跨端滿負(fù)荷起重時(shí)使拉桿產(chǎn)生的拉力。

將連接塔帽頂端與平衡臂及平衡塊的拉桿拉力稱為F；將連接塔帽頂端與起重臂且相對(duì)靠近塔帽的拉桿所產(chǎn)生的拉力稱為F1；將連接塔帽頂端與起重臂且相對(duì)遠(yuǎn)離塔帽的拉桿所產(chǎn)生的拉力稱為F2；在進(jìn)行塔機(jī)受力分析時(shí)，平衡臂所產(chǎn)生的橫向與縱向的內(nèi)應(yīng)力分別稱為FX,Fy(圖4)。

圖 4 塔機(jī)受力分析

對(duì)工況細(xì)分，進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)合分析得出的數(shù)據(jù)將各種工況加以復(fù)合，得到與實(shí)際情況相貼合的塔機(jī)在載荷作用下的力學(xué)分析結(jié)果。

3 不同工況下的載荷分析及結(jié)果

圖5是塔式起重機(jī)受力時(shí)的力學(xué)性能曲線，由圖可知，當(dāng)幅度最小(14.6m)時(shí)臨界狀態(tài)下的起重重量為6t，幅度達(dá)到最大(50m)時(shí)，臨界狀態(tài)下的起重重量為2.5t。

圖 5 塔式起重機(jī)受力性能曲線

3.1 各個(gè)工況的計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

工況1：配重臂自重使拉桿產(chǎn)生的拉力

該工況下，平衡臂自重產(chǎn)生的相應(yīng)的力為F，可以將整個(gè)平衡臂看作是一個(gè)q=1452N/m的均布載荷，其受力分析見圖6，圖中，lx=10m，lz=13m，θ=25°。

圖 6 工況1受力分析

由力矩平衡知：∑M=0，得到下列方程

(1)

解得：F=29038N。

工況2：配重塊自重使拉桿產(chǎn)生的拉力

該工況下，平衡臂上的重塊產(chǎn)生的相應(yīng)力為F，此時(shí)可將配重臂本身看做是一個(gè)輕桿，并將整個(gè)配重塊看做是一個(gè)集中載荷，受力分析見圖7。

圖 7 工況2受力分析

根據(jù)∑M=0得：

Fsin25°lx-Glx=0

(2)

根據(jù)實(shí)際工作載荷知：G=120 000N,計(jì)算得：F=283 944N。

工況3：起吊臂自重使拉桿產(chǎn)生的拉力

在該工況下，起重臂自重產(chǎn)生的相應(yīng)的力為F1與F2，可以將平衡臂看做是一個(gè)q=850N/m的均布載荷，如圖找到距離端點(diǎn)距離為20m的節(jié)點(diǎn)O1，以此為節(jié)點(diǎn)將平衡臂分為兩段進(jìn)行分析(圖8)。

圖 8 工況3受力分析

分段計(jì)算，先計(jì)算F2，根據(jù)受力分析得:

∑Fy=0F2·sin6°+Fy-ql=0

(3)

∑FX=0,F2·cos6°-Fx=0

(4)

(5)

其中，q=850N/m,l1=17m，l=30m，計(jì)算得：F2=215 252N.FX=214 072N,FY=3 000N。

再分段計(jì)算F1，根據(jù)受力分析圖得：

∑M=0,

(6)

其中，l2=13m，l3=20m，計(jì)算得：F1=25 990N

工況4：小車伸出幅度最小時(shí)(14.6m)跨端滿負(fù)荷起重時(shí)使拉桿產(chǎn)生的拉力

在此工況下，載荷幅度達(dá)到最小(14.6m)時(shí)，產(chǎn)生相應(yīng)的F1,F2,同樣將整個(gè)起重臂看做是一個(gè)輕桿，在起重臂上找到一個(gè)距起重臂左端點(diǎn)14m的節(jié)點(diǎn)O2，以此為節(jié)點(diǎn)將平衡臂分為兩段來(lái)分析，先分段分析F2。

圖 9 工況4受力分析

∑FX=0,F2cos6°-FX=0

(7)

∑FY=0,F2sin6°+FY-T=0

(8)

∑M=0,F2·sin6×l5-T·l6=0

(9)

其中，l5=23m，l6=0.6m，T=60 000N；計(jì)算得：F2=14 974N，F(xiàn)X=14 892N，F(xiàn)Y=58 434N。

再分段計(jì)算F1，其受力分析如圖9所示,根據(jù)∑M=0 得

F1sin19°×l2-Fy·l7=0

(10)

其中l(wèi)7=14m，計(jì)算得：F1=193 290N。

工況5：小車伸出幅度最大時(shí)(50m)跨端滿負(fù)荷起重時(shí)使拉桿產(chǎn)生的拉力

該工況下，幅度達(dá)到最大(50m)時(shí)，重物產(chǎn)生相應(yīng)的F1,F2，此時(shí)將整個(gè)起重臂看做是一個(gè)輕桿，同樣進(jìn)行分段的分析，先分析F2，其受力分析見圖10。

圖10 工況5受力分析

由圖10，∑FX=0，∑FY=0，∑M=0得

F2cos6°-FX=0，

F2sin6°+Fy-T=0，

F2sin6°×l1-T·l=0 (11)

其中，T=15 000N，計(jì)算得：F2=253 238N，F(xiàn)X=251 850N，F(xiàn)Y=11 470N，再分段計(jì)算F1，受力分析見圖11。由∑M=0得

F1·sin19×l2-FY×l3=0

(12)

計(jì)算得：F1=54 201N。

3.2 有限元分析結(jié)果

將上述進(jìn)行分類過(guò)的各個(gè)工況進(jìn)行整理和有效的復(fù)合，再將數(shù)據(jù)載入hypermesh有限元分析軟件中可以得到圖12、13的結(jié)果。

圖11 載荷工況5下塔帽應(yīng)力及位移分布

圖12 載荷工況7下塔帽最大應(yīng)力局部放大圖

圖13 載荷工況7下拉板獨(dú)立零件應(yīng)力分布圖

有了塔機(jī)各工況下的有限元分析結(jié)果之后，需要對(duì)塔帽應(yīng)力最大的重點(diǎn)部位進(jìn)行分析和研究，以及做出結(jié)構(gòu)上的改良，并應(yīng)用該仿真結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)塔機(jī)的檢測(cè)進(jìn)行指導(dǎo)，明確重點(diǎn)檢測(cè)部位并分析檢測(cè)結(jié)果的合理性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述各個(gè)工況的分析可知，運(yùn)用hypermesh有限元分析軟件計(jì)算所得的結(jié)果可以全面且清晰的了解塔式起重機(jī)各個(gè)部分的應(yīng)力情況，直接可以看出結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，同樣可以看到各部位的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布。利用hypermesh軟件將塔式起重機(jī)相關(guān)幾何尺寸進(jìn)行參數(shù)化后可用于塔式起重機(jī)的初步設(shè)計(jì)和產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品檢測(cè)前的模擬實(shí)驗(yàn)。

[1] 田金金,陳志平,張巨勇，等.橋式起重機(jī)安全檢測(cè)法綜述及展望[J].機(jī)電工程,2009, 26(03): 1-5.

[2] 金福民.在線監(jiān)測(cè)安全評(píng)估系統(tǒng)在港口機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)力中的應(yīng)用[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2014,19: 042.

[3] 徐格寧.機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[4] 王鈺棟.HyperMesh應(yīng)用技巧于高級(jí)實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Finite Element Analysis of Static for Tower Ctane

CHEN Zheng1, DONG Haoming1, RAO Gang2, YU Zhen2

(1WuhanSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitution,Wuhan430040,China；2CollegeofMachineryandAutomation,WuhanUniv.ofSci.andTech.,Wuhan430081,China)

With tower crane as the research object, using the finite element analysis software and design software and solidworks( the three-dimensional finite element model) to build the overall structure of the model , the paper discussed simplification of the tower crane under a variety of conditions in critical condition, determination of the load and stress analysis of the focused parts. The conclusions of the analysis can be combined with the finite element analysis software to build the finite element program associated with the equipment. The processed geometric parameters of the data can be put to preliminary design of cranes, a series of design of related products and testing laboratory simulation of the device before going for the practical application in the project.

tower crane；finite element analysis； static analysis

2015-04-20

冶金裝備及其控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(2013A07)；

武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所資助項(xiàng)目(201242011 2000191)

陳 崢(1975-)，男，湖北武漢人，武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)所高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樘胤N設(shè)備檢測(cè)及安

1003-4684(2015)04-0082-04

TH21

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