塔式起重機(jī)外掛內(nèi)爬支承體系參數(shù)化設(shè)計(jì)

王 連

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.撫順永茂建筑機(jī)械有限公司，遼寧 撫順 113126)

塔式起重機(jī)外掛內(nèi)爬支承體系參數(shù)化設(shè)計(jì)

王 連1,2

(1.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168；2.撫順永茂建筑機(jī)械有限公司，遼寧 撫順 113126)

針對(duì)外掛內(nèi)爬式塔機(jī)支承系統(tǒng)的計(jì)算問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了通用的支承結(jié)構(gòu)參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)。利用ANSYS軟件的二次開(kāi)發(fā)功能，并與編程軟件Visual Basic相結(jié)合，通過(guò)人機(jī)操作界面輸入計(jì)算參數(shù)，由內(nèi)部程序輸出命令流調(diào)用ANSYS軟件，系統(tǒng)自動(dòng)完成計(jì)算并輸出計(jì)算結(jié)果。為了驗(yàn)證系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性和可行性，本文以撫順永茂建筑機(jī)械有限公司的STL720動(dòng)臂內(nèi)爬式塔機(jī)為例，分析了支承結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，利用手動(dòng)計(jì)算值與軟件輸出值進(jìn)行比較，求出誤差的大小，驗(yàn)證計(jì)算系統(tǒng)的正確性及可靠性。

內(nèi)爬式塔式起重機(jī)；外掛內(nèi)爬；參數(shù)化；有限元；命令流

近年來(lái)，高層建筑越來(lái)越多的走入人們的視線，建筑物高度逐漸提升，采用何種施工方案成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。外掛內(nèi)爬塔機(jī)以其自身的特點(diǎn)，在施工中應(yīng)用越來(lái)越多。該種安裝形式塔機(jī)的支承體系設(shè)計(jì)也逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。由于塔機(jī)的受力工況種類多，不同的支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及附加彎矩的影響，計(jì)算量頗大，在建模和加載時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率就很高。

本文利用參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，基于Visual Basic平臺(tái)，對(duì)ANSYS有限元分析軟件二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)只需輸入少量計(jì)算參數(shù)即可完成對(duì)支承結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，可以直接讀出計(jì)算結(jié)果。此軟件提高了工作效率和計(jì)算精度，充分利用了模型的可修改性和模型的重復(fù)利用性。減少人力資源的浪費(fèi)，加快結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的步伐，提高科技的先進(jìn)性。

1 參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是以一種全新的思維方式來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)建和修改設(shè)計(jì)的方法，它用約束來(lái)表達(dá)產(chǎn)品幾何模型的形狀特征，定義一組參數(shù)以控制設(shè)計(jì)結(jié)果，從而能夠通過(guò)調(diào)整參數(shù)來(lái)修改設(shè)計(jì)模型，并能方便地創(chuàng)建一系列在形狀或功能上相似的設(shè)計(jì)方案。

參數(shù)化所利用的軟件有：ANSYS。參數(shù)化設(shè)計(jì)所應(yīng)用的語(yǔ)言有：APDL（ANSYS Parameter Design Language）、Visual Basic（以下簡(jiǎn)稱VB）。

2 外掛內(nèi)爬塔機(jī)支承體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

內(nèi)爬塔機(jī)的爬升是依靠液壓頂升油缸完成的，其頂升油缸支撐在內(nèi)爬框架上，傳統(tǒng)內(nèi)爬塔機(jī)的內(nèi)爬框安裝在預(yù)先放置在建筑物內(nèi)的鋼梁上，鋼梁由建筑剪力墻或樓板支撐。而外掛內(nèi)爬塔機(jī)，是在建筑物外部搭建出支撐系統(tǒng)，將內(nèi)爬塔機(jī)安裝在支撐系統(tǒng)上，從而實(shí)現(xiàn)了由內(nèi)至外的轉(zhuǎn)換。

外掛支承系統(tǒng)由三套支承框架組成，塔機(jī)作業(yè)時(shí)兩套支承框架協(xié)同工作，塔機(jī)爬升時(shí)第三套支承框架交替工作，如圖1所示。支承橫梁通常為箱形結(jié)構(gòu)，其一端通過(guò)鉸座與核心筒壁相連，另一端與斜拉桿鉸接。

3 參數(shù)化建模整體流程

外掛內(nèi)爬塔機(jī)支承體系參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)主要是利用ANSYS提供的APDL語(yǔ)言對(duì)ANSYS進(jìn)行封裝，并且結(jié)合了Visual Basic 6.0的可視化開(kāi)發(fā)軟件，實(shí)現(xiàn)了支承體系結(jié)構(gòu)分析的可視化輸入和可視化輸出。參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)整體操作流程如2所示。

圖1 外掛內(nèi)爬塔機(jī)支承體系構(gòu)成

圖2 參數(shù)化整體操作流程圖

4 外掛內(nèi)爬塔機(jī)支承體系參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)

按照參數(shù)化整體流程分配可確定具體流程：第一步：建立人機(jī)交互界面，輸入計(jì)算所需信息；第二步形成APDL命令流，按照SNSYS計(jì)算程序的順序，并利用VB內(nèi)部Print功能，將從操作界面內(nèi)輸入的各項(xiàng)信息整合到txt文本當(dāng)中，生成APDL命令流文件；第三步：利用VB中的Shell函數(shù)來(lái)啟動(dòng)ANSYS軟件，讀取txt中生成的APDL命令流，按命令流的順序分別生成模型、劃分網(wǎng)格、加載；第四步：顯示計(jì)算結(jié)果并判定最終計(jì)算結(jié)論。

4.1 建立主操作界面

主界面中有2個(gè)選項(xiàng)，其中“支承體系整體計(jì)算”功能就是對(duì)支承體系整體進(jìn)行靜態(tài)分析，包括支承體系模型建立、作用載荷計(jì)算和計(jì)算結(jié)果顯示；本文僅以“支承體系整體計(jì)算”為例進(jìn)行論述。單擊“支承體系整體計(jì)算”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)入支承體系模型和載荷計(jì)算界面，在彈出的窗口中設(shè)置了2個(gè)按鈕，分別是：控制支承體系模型建立、支承體系載荷的計(jì)算。有限元模型建立界面如圖3所示。

圖3 有限元模型建立界面

4.2 材料參數(shù)設(shè)定

根據(jù)需要，材料參數(shù)界面中設(shè)計(jì)的材料參數(shù)輸入框包含Beam188和 Link8兩種單元。

執(zhí)行的程序代碼：

程序中使用了Output方式輸出，可以實(shí)現(xiàn)文件內(nèi)容的覆蓋，從而達(dá)到命令流的不斷更新。

4.3 支承體系結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

保存材料參數(shù)后，需要進(jìn)入“支承體系結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定”。系統(tǒng)中包含了三種形式的支承結(jié)構(gòu)，需要按照操作要求選擇分析對(duì)象。通過(guò)一個(gè)Combobox控件來(lái)選擇支承結(jié)構(gòu)類型（上拉式和下支式和上拉下支式）。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定界面如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定界面

以上程序中，通過(guò)控制Label和Text 控件的Visible和Enabled屬性值，使其與不同支撐形式相對(duì)應(yīng)。

輸入?yún)?shù)后，點(diǎn)擊“保存”按鈕，同樣利用Open…...Output和Print語(yǔ)句將參數(shù)輸出到文本文件中。但是每種支撐形式需要的參數(shù)不同，因此程序代碼也不相同。

其中上拉式代碼為：

由于內(nèi)爬式塔機(jī)在爬升及工作過(guò)程中由兩道內(nèi)爬框參與工作，因此本系統(tǒng)中給出兩道參數(shù)設(shè)定。并在第二道支承體系參數(shù)設(shè)定時(shí)增加“內(nèi)爬框間距參數(shù)”的設(shè)定。

4.4 建立材料庫(kù)

在定義單元編號(hào)時(shí)，統(tǒng)一規(guī)定編號(hào)，后續(xù)程序調(diào)用材料庫(kù)即可。

4.5 桿件參數(shù)設(shè)定

在此界面中設(shè)置了“桿件參數(shù)”按鈕，設(shè)定桿件型號(hào)（圖5）。第一道及第二道的桿件參數(shù)設(shè)定方法相同。此界面是對(duì)支承系統(tǒng)的各個(gè)桿件材料進(jìn)行定義，利用SStab控件來(lái)實(shí)現(xiàn)依次輸入每部分桿件的型號(hào)尺寸。

圖5 桿件參數(shù)設(shè)定界面

本計(jì)算系統(tǒng)中加入了自動(dòng)編號(hào)功能，不僅使單元編號(hào)定義的更準(zhǔn)確，而且也使操作更方便，避免了人為操作的錯(cuò)誤機(jī)率。在程序運(yùn)行界面里，點(diǎn)擊“保存”按鈕，通過(guò)跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句，SStab會(huì)自動(dòng)進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，進(jìn)入到下一桿件的界面。程序跳轉(zhuǎn)語(yǔ)句為：SSTab1.Tab = SSTab1.Tab + 1。

全部的桿件定義結(jié)束后，最終通過(guò)程序?qū)⒚坎糠值奈谋疚募系揭黄?，作為該支承體系的桿件參數(shù)文件。

對(duì)于第一道、第二道外懸爬支承體系采用相同的處理方法，分別存儲(chǔ)為上部支桿及下部支桿。

通過(guò)上述各項(xiàng)程序，建立了外懸爬支承體系參數(shù)化模型的具體結(jié)構(gòu)以及兩道支承體系的相關(guān)數(shù)據(jù)。

上述介紹即為外懸爬支承體系桿件參數(shù)的選擇，用戶可根據(jù)實(shí)際施工中要求選擇不同的支撐形式。

4.6 支承體系載荷計(jì)算

內(nèi)爬塔機(jī)在工作時(shí)作用在支承體系上的載荷包括塔機(jī)自重載荷、由塔機(jī)及吊載偏心產(chǎn)生的載荷、作用在塔機(jī)上風(fēng)載荷、塔機(jī)回轉(zhuǎn)慣性力和支承體系自身產(chǎn)生的重力。本計(jì)算系統(tǒng)可提供自定義內(nèi)爬間距時(shí)的載荷計(jì)算，包括風(fēng)載荷及內(nèi)爬反力。支承體系施加載荷計(jì)算界面如圖6所示。

圖6 支護(hù)體系施加載荷計(jì)算界面

4.7 施加載荷

塔機(jī)在工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)時(shí)可自由回轉(zhuǎn)，因此載荷作用點(diǎn)隨臂架回轉(zhuǎn)角度不同及水平力作用方向不同而不同。根據(jù)臂架回轉(zhuǎn)角度的不同，分別施加載荷，載荷界面如圖7所示。

圖7 施加載荷界面

根據(jù)臂架角度不同以及垂直力支撐點(diǎn)不同，計(jì)算工況分為六個(gè)工況，即臂架與塔身中心線0°、45°、90°，以及垂直力由四點(diǎn)支撐、二點(diǎn)支撐共6個(gè)組合工況。

點(diǎn)擊“進(jìn)入ANSYS分析”，系統(tǒng)啟動(dòng)ANSYS有限元計(jì)算軟件，并將前面各節(jié)點(diǎn)輸出的文本文件逐一輸入ANSYS中，生成載荷文本文件，利用open及append命令，生產(chǎn)zaihe.txt文件，將文本文件寫(xiě)入載荷命令流。

將載荷命令寫(xiě)入到zaihe模塊中，利用dk命令在關(guān)鍵點(diǎn)上添加約束，利用fk命令在關(guān)鍵點(diǎn)上加載。

程序進(jìn)入后處理求解階段，讀入命令流，加載并運(yùn)行，生成計(jì)算結(jié)果。每個(gè)工況計(jì)算完成后，操作者可通過(guò)點(diǎn)擊界面中的“查看分析結(jié)果”，查看每個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果。每計(jì)算完一個(gè)工況，界面中的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)增加一組，直到最后一個(gè)工況全部計(jì)算完成后，分析結(jié)果中會(huì)自動(dòng)填寫(xiě)全部計(jì)算數(shù)據(jù)。

上述過(guò)程即為載荷模塊的說(shuō)明，全部計(jì)算完成后，點(diǎn)擊“返回主界面”，即可返回至主界面。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者以STL720內(nèi)爬塔機(jī)為例，通過(guò)對(duì)支撐鋼梁手動(dòng)計(jì)算得出最大應(yīng)力為121MPa，軟件分析計(jì)算結(jié)果顯示最大應(yīng)力值為131MPa,絕對(duì)誤差為10MPa，相對(duì)誤差為7.6%，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，因手動(dòng)計(jì)算時(shí)，垂直力中直接采用廠家提供的參數(shù)，未包含內(nèi)爬框自身的重量，垂直力低于實(shí)際值，而軟件在加載時(shí)已自動(dòng)加載內(nèi)爬框的重量載荷。因此軟件分析更為精確，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的自動(dòng)輸出，并且結(jié)果為正確可靠。

[1]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.

[3]李 斌，顧生青.內(nèi)爬式塔式起重機(jī)支承梁端部彎矩弱化技術(shù)的研究[J].建筑機(jī)械，2014，(2)：67-71.

[4]郁政華，陳曉明，吳欣之，等.廣州新電視塔外掛內(nèi)爬式塔式起重機(jī)應(yīng)用技術(shù)[J].施工技術(shù)，2009，(4)：38-39.

[5]王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

[6]張 峰,李兆前.參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].機(jī)械工程師，2002，(1)：13－15.

[7]楊秀萍,王鵬林.基于Ansys語(yǔ)言的零件有限元參數(shù)化分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，6(11)：10－11.

（編輯 賈澤輝）

External support system parametric design of tower crane

WANG Lian

TH212；TH213.3

B

1001-1366(2015)09-0033-04

2015－07－16