基于ANSYS的塔機整體金屬結(jié)構(gòu)有限元分析計算

謝珍艷 李碧玉

（山西省工程機械有限公司，山西 太原 030003）

金屬結(jié)構(gòu)是塔機的重要組成部分。本文運用ANSYS有限元分析軟件的APDL語言建立C7030塔機整體結(jié)構(gòu)有限元模型，并進行結(jié)構(gòu)簡化、邊界條件簡化、載荷的確定和計算等。對建立的塔機模型進行靜力分析，得出其結(jié)構(gòu)在典型工況下每個桿件的強度、剛度，并將型式試驗實際檢測結(jié)果與有限元分析結(jié)果進行對比，使塔機的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。ANSYS等商業(yè)化有限元分析軟件的發(fā)展為塔機分析過程提供了很好的求解工具。

1 塔機有限元模型的建立及模型簡化

1.1 結(jié)構(gòu)簡化及單元的選擇

塔機具有相當復雜的結(jié)構(gòu)，在不影響計算結(jié)果的情況下，根據(jù)需要可相應(yīng)地簡化有限元模型。就塔機整體結(jié)構(gòu)而言，上、下支座、回轉(zhuǎn)支撐等具有較大剛度、較密集質(zhì)量、較小尺寸，所以能夠以梁單元對其進行等效處理。選擇三維梁單元beam188作為腹桿、主弦桿等。以Link8桿單元來定義平衡臂、起重臂拉桿。因此，在整體分析時，只需要對塔機桿單元、梁單元進行考慮，從而規(guī)避了板殼單元、梁單元和各個結(jié)點自由度的連接問題。

1.2 建立整機模型

整機建模采用APDL語言編寫命令流。從下往上依次在桿件相交位置設(shè)置節(jié)點。整機共創(chuàng)建了620個關(guān)鍵點，離散成1363個單元，其中梁單元1360個，桿單元3個。

1.3 定義材料屬性和邊界條件

計算有限元時，結(jié)構(gòu)的自由度約束應(yīng)得以保證，以免發(fā)生剛體位移。一般選擇線性梁單元beam188單元、桿單元Link8，作為研究塔機的建模工具。塔身底部通過地腳螺栓和整塊地基相連，具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，因此可以對彎矩加以承受，將其作為固定支座處理，約束其底部4個節(jié)點的6個自由度。以銷軸連接塔身節(jié)，也是剛性連接的一種。因為塔身具有較小的上部彎矩，及較大剛度，剛性連接也包括回轉(zhuǎn)塔身和上支座、上支座和下支座、下支座和塔身的連接。塔頂、起重臂根部、回轉(zhuǎn)塔身間的邊界條件的處理：UX=0、UY=0、UZ=0、ROTX=0、ROTY=0?；剞D(zhuǎn)塔身、起重臂根部、塔頂間的邊界條件的處理：UX=0、UY=0、UZ=0、ROTX=0、ROTY=0。在相對應(yīng)的吊點及塔頂，對平衡臂拉桿吊點兩端、起重臂拉桿進行固定。起重臂、平衡臂各節(jié)間連接處視為剛性連接。對節(jié)點施加的約束，全部在節(jié)點坐標系中進行，取與塔機型式試驗報告中各檢測點正好或接近的點作為檢測點。

1.4 對幾何模型劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格時，拉桿采用的LINK8單元只能承受拉力，所以劃分網(wǎng)格時，一個單元只能分1段。而梁單元采用的BEAM188單元，可以劃分為2～3段。

2 施加載荷

在空中提升重物時，塔機的各機構(gòu)部件停止運行，受到的載荷是靜力。在靜力分析過程中，不考慮運行時，塔機或其起重小車的沖擊載荷、動載荷。由于司機室、鋼絲繩等的重量相對于整機鋼結(jié)構(gòu)來說非常小，且對于塔機的承載能力和受力情況影響不大，因此可不將其計算在內(nèi)。型式試驗測試狀態(tài)為靜載無風，因此工作狀態(tài)下3種工況不予考慮風載。在向每個單元施加自重時，塔機的方式為重力加速度。ACEL，0，9.8，0平衡重、變幅機構(gòu)、起升機構(gòu)、吊鉤小車以集中載荷的方式作用在下弦桿上。除了以上載荷，各工況下吊重載荷按1.25倍吊重量計算。

3 有限元結(jié)果分析

打開后處理器POST1，其作用在于對某種載荷下，整個模型結(jié)果加以探測，以列表、圖形方式顯示分析結(jié)果。

3.1 結(jié)構(gòu)強度分析

為確定該結(jié)構(gòu)的承載能力是否足夠，分析應(yīng)力值是我們檢驗的標準。

一般而言，塑性材料的屈服應(yīng)力σs比強度極限要低，因此極限應(yīng)力常被選定為屈服應(yīng)力。如果在剛度、穩(wěn)定性、強度等方面，設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件滿足要求，可選擇允許應(yīng)力法。比如，在屈服應(yīng)力值上，普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235碳鋼為235MPa，考慮基本載荷和附加載荷的各種組合，在這里取ns=1.34，可得許用應(yīng)力

Q345低合金鋼的屈服應(yīng)力值為345MPa，可得許用應(yīng)力

作為一種等效應(yīng)力，在對模型內(nèi)部的應(yīng)力分布情況加以展示時，Von Misses Stress的工具是應(yīng)力等值線，可對模型中的最危險部分加以明確。

等效的VonMiss應(yīng)力的計算公式為：

式中 ：σ1，σ2，σ3——3 個方向主應(yīng)力 ；

σT——單向拉伸時的屈服極限。

σ——等效應(yīng)力。

當應(yīng)力分量在直角坐標系中表示時，有：

VonMiss準則即是：

3.2 剛度分析

塔身自有高度H（至塔身與臂架連接處），在額定起重載荷下出現(xiàn)的水平位移ΔL間的關(guān)系，即為塔機靜態(tài)剛性，可通過下式呈現(xiàn)：

其中，在臂架連接處至最高附著點，或軌道面的垂直距離，以H指代。

該塔機H=51.7m，故許用靜剛度為

若塔身與起重臂連接處節(jié)點的最大水平位移小于許用靜剛度0.693m，則靜剛度滿足要求。

3.3 各工況下分析結(jié)果

工 況（按1.2 5倍吊重計算）工況三工作幅度R=1 6.1 m起重量Q=2 0 t[σ]=2 5 7 M P a許用應(yīng)力 1 3 6 M P 1 5 7 M P 1 8 5 M P ΔL=0.6 9 3 m許用靜剛度 0.3 m 0.3 5 5 m 0.4 1 7 m工況一工作幅度R=7 0 m起重量Q=3.7 5 t工況二工作幅度R=3 5.2 m起重量Q=8.0 6 t

3.4 對比型式試驗結(jié)果

型式試驗檢測中測出的為軸向正應(yīng)力的應(yīng)力值，不考慮風載荷，僅考慮負載吊重產(chǎn)生的應(yīng)力。用ANSYS計算出的應(yīng)力為自重應(yīng)力和負載應(yīng)力之和（即等效應(yīng)力）。本文以有限元法為分析塔機整體結(jié)構(gòu)受力的方法，并求得最大、最小應(yīng)力的變化值，與型式試驗誤差在8%以內(nèi)。

結(jié)論

通過對塔機靜力分析，發(fā)現(xiàn)塔機結(jié)構(gòu)在3種工況下的最大變形均發(fā)生在起重臂端部，且變形量均符合標準要求，未超過規(guī)定值。利用有限元方法研究弦桿，從而獲取應(yīng)力的最大、最小值，同時對比試驗測量數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)，試驗測量數(shù)據(jù)都被控制在有限元計算結(jié)果范圍中，如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，將參考應(yīng)力選定為有限元結(jié)果中應(yīng)力的最大值，就能夠全面兼顧檢測應(yīng)力，從而對波動關(guān)系的影響進行了規(guī)避，從強度角度對弦桿進行充分考慮。