基于ANSYS的平頭塔機(jī)臂架結(jié)構(gòu)靜力分析

于洪柱

(山東電力建設(shè)第三工程有限公司，山東 青島 266000)

圖1 起重臂結(jié)構(gòu)示意

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人工成本在逐年增加；隨著施工節(jié)奏的加快，工程項(xiàng)目的施工周期越來越短：因此拆裝更為便捷的平頭塔機(jī)在市場上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。平頭塔機(jī)無塔帽，具有拆裝速度快、主弦受力明確的優(yōu)點(diǎn)，便于模塊化設(shè)計(jì)并有利于塔群的交叉作業(yè)[1]。但是，因?yàn)槠鹬乇凼∪チ死瓧U支撐，變成了一種懸臂受彎構(gòu)件，導(dǎo)致起重臂質(zhì)量大大增加。隨著平頭塔機(jī)起重量的增大，需要通過增大起重臂質(zhì)量來滿足結(jié)構(gòu)受力要求，而起重臂質(zhì)量每增加10%，平衡臂質(zhì)量會增加10%，塔身質(zhì)量會增加5%[2]；同時(shí)，起重臂結(jié)構(gòu)尺寸也會增大，導(dǎo)致運(yùn)輸超限，增加運(yùn)輸成本，降低經(jīng)濟(jì)性。因此，對起重臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，將大大提高整機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。本文利用極限狀態(tài)法，對平頭塔機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡要計(jì)算。

1 臂架結(jié)構(gòu)理論計(jì)算

1.1 臂架結(jié)構(gòu)組成及計(jì)算載荷

本文以某款平頭塔機(jī)起重臂為例進(jìn)行計(jì)算，平頭塔機(jī)臂架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括配重、起升機(jī)構(gòu)、平衡臂、中心塔、起重臂、小車及吊鉤滑輪組[3]。平衡臂為矩形桁架結(jié)構(gòu)，起重臂為倒三角桁架結(jié)構(gòu)，小車懸掛于起重臂下主弦上。起重臂和平衡臂用銷軸連接于中心塔兩側(cè)。

該塔機(jī)臂架最大工作幅度為80 m，額定起重量為1 000 kN，額定起升幅度為20 m，最大幅度起重量為220 kN；平衡臂長30 m，配重為800 kN。

1.2 臂架結(jié)構(gòu)計(jì)算

臂架結(jié)構(gòu)平衡臂部分載荷恒定不變，均為自重載荷。起重臂各部位載荷不同，其中控制工況為額定起重量的最大工作幅度和最大幅度的最大起重量，因此本文分別對這兩種工況進(jìn)行分析計(jì)算。臂架結(jié)構(gòu)計(jì)算中運(yùn)用到的載荷主要有自重載荷、吊重載荷、風(fēng)載荷和慣性載荷。根據(jù)規(guī)范載荷組合B，取各自載荷的分項(xiàng)系數(shù)見表1[4]。

表1 載荷分項(xiàng)系數(shù)

將各部分自重載荷簡化為集中力作用在各自質(zhì)心位置，回轉(zhuǎn)慣性力和風(fēng)載荷也以集中力形式作用在各自質(zhì)心位置，將各載荷乘以各自分項(xiàng)系數(shù)，按載荷組合進(jìn)行組合，可以得出不同工況下臂架結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面應(yīng)力，見表2。

表2 不同工況下臂架結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面應(yīng)力

圖2 臂架結(jié)構(gòu)有限元模型示意

2 有限元計(jì)算

2.1 模型建立

采用有限元分析軟件ANSYS對平頭塔機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算。臂架的主要結(jié)構(gòu)均為桁架結(jié)構(gòu)，因此采用BEAM188單元建模。BEAM188單元適合分析細(xì)長到中等短粗的梁結(jié)構(gòu)，這個(gè)單元非常適合線性、大轉(zhuǎn)動(dòng)和非線性大應(yīng)變問題的分析。該單元完全可以滿足起重臂靜力分析的需要。

起重臂和平衡臂雖采用分段結(jié)構(gòu)，但各段在受載過程中均不會發(fā)生移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)，因此各起重臂和平衡臂各節(jié)點(diǎn)建模時(shí)均簡化為固接。各桿件均以實(shí)際截面賦予截面屬性，起重臂主弦為矩形和圓管截面，平衡臂主弦為H形截面。

結(jié)構(gòu)自重以慣性力的方式均勻加載在模型上，吊重、配重、各機(jī)構(gòu)自重以及電氣柜自重均采用集中力的方式加載在對應(yīng)位置節(jié)點(diǎn)上。起重臂和平衡臂計(jì)算模型及加載情況如圖2所示。

2.2 約束求解

將中心塔根部主弦的4個(gè)節(jié)點(diǎn)固定約束。將各機(jī)構(gòu)自重和吊重分別乘以各自的分項(xiàng)系數(shù)，得出設(shè)計(jì)載荷，分別以集中力的方法施加在對應(yīng)位置，慣性載荷和自重載荷以加速度方式施加。吊重按工況加在對應(yīng)幅度。自重載荷因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)部分在建模時(shí)進(jìn)行了簡化，模型自重小于實(shí)際自重，加載時(shí)首先計(jì)算出模型自重，再根據(jù)實(shí)際自重和模型自重的比例關(guān)系，將模型自重乘以相應(yīng)系數(shù)來模擬實(shí)際自重。

2.3 計(jì)算結(jié)果

運(yùn)用有限元對模型進(jìn)行計(jì)算，可以得出臂架結(jié)構(gòu)在不同工況下的最大應(yīng)力和位移情況，如圖3～圖6所示?？梢钥闯?，起重臂和平衡臂最大應(yīng)力均出現(xiàn)在根部截面，最大撓度都出現(xiàn)在端部，80 m幅度最大應(yīng)力為473 MPa，20 m幅度最大應(yīng)力為400 MPa，最大位移出現(xiàn)在80 m幅度吊最大載荷時(shí)，為3 700 mm。有限元計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本一致。起重臂采用的是高強(qiáng)鋼，由計(jì)算可知，此結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 20 m 100 t時(shí)臂架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖4 20 m 100 t時(shí)臂架結(jié)構(gòu)位移云圖

圖5 80 m 22 t時(shí)臂架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

圖6 80 m 22 t時(shí)臂架結(jié)構(gòu)位移云圖

3 結(jié)束語

本文對臂架結(jié)構(gòu)分別用極限狀態(tài)法理論計(jì)算和有限元進(jìn)行了分析，得出了不同工況下起重臂的應(yīng)力和位移分布云圖。有限元計(jì)算結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了用極限狀態(tài)法也同樣可進(jìn)行有限元仿真模擬，為臂架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了精確依據(jù)。