塔式起重機(jī)踏步有限元分析

左琦

【摘? 要】塔式起重機(jī)作為重要的起重工具，具有非常廣泛的應(yīng)用范圍。從塔機(jī)的技術(shù)發(fā)展方面來看，雖然新的產(chǎn)品層出不窮，新產(chǎn)品在生產(chǎn)效能、操作簡(jiǎn)便、保養(yǎng)容易和運(yùn)行可靠方面均有提高，但作為特種設(shè)備，其事故頻發(fā)，安全性一直備受關(guān)注，而塔機(jī)的拆裝是事故的多發(fā)階段，因塔機(jī)拆裝中踏步的強(qiáng)度不夠造成事故很多。為了進(jìn)行合理的計(jì)算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。通過對(duì)踏步強(qiáng)度問題的有限元分析，對(duì)于踏步的受力有了更深的理解，同時(shí)它對(duì)提高產(chǎn)品安全性能和質(zhì)量有重要的意義。

【關(guān)鍵詞】有限元;塔機(jī);踏步

1 引言

塔式起重機(jī)是任何一個(gè)大型建筑工地中的常見設(shè)備。它是那么的顯眼——常常聳入云霄幾十米，而且“胳膊”伸出那么遠(yuǎn)。隨著國家加大在交通運(yùn)輸、水利水電工程、高鐵、電力等工程的投入以及裝配式建筑的快速發(fā)展，對(duì)塔機(jī)需求量越來越大的同時(shí)，對(duì)塔機(jī)的要求也越來越高。要求塔機(jī)的工作幅度和大幅度處起吊的重量越來越大的同時(shí)，還要保證安裝和拆卸方便。建筑工人用塔式起重機(jī)來提升鋼材、水泥，諸如乙炔炬和發(fā)電機(jī)之類的大型工具，以及其他各種不同的建筑材料），而塔機(jī)可以架設(shè)這么高，是通過自身頂升，頂升橫梁掛在塔身的踏步上到活塞桿全部伸出，套架上的爬爪擱在踏步上，套架爬升連續(xù)加標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。但在爬升的過程中，由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)兩邊的踏板承受塔機(jī)上部的重量。踏板強(qiáng)度如果不能滿足要求，將會(huì)出現(xiàn)重大安全事故。因此，必須知道踏板受力最大處，加以分析。眾所周知，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識(shí)和求解技巧，學(xué)習(xí)起來也較為困難。本論文問題設(shè)計(jì)到踏板靜力結(jié)構(gòu)分析，對(duì)于結(jié)構(gòu)理論的研究具有重要的意義。

2 結(jié)構(gòu)分析概述

結(jié)構(gòu)分析中，結(jié)構(gòu)靜力分析是計(jì)算在固定載荷作用下對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，以及那些可以近似為等時(shí)間變化的載荷。它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)受隨時(shí)間變化較大載荷作用的情況。結(jié)構(gòu)分析需要較大的計(jì)算資源，為了進(jìn)行實(shí)為有效的計(jì)算，理解問題的特性和建立合理的模型是很重要的。ANSYS是一種應(yīng)用廣泛的商業(yè)套裝工程分析軟件，主要應(yīng)用于機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)受到外力載荷時(shí)所出現(xiàn)的反應(yīng)，例如應(yīng)力、位移、溫度等。根據(jù)該反應(yīng)可知道機(jī)械機(jī)構(gòu)系統(tǒng)受到外力載荷后的狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行判斷是否符合設(shè)計(jì)要求。一般的機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，收到的載荷也相當(dāng)多，理論分析往往赴法進(jìn)行。想要得到答案必須先簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。ANSYS軟件通過對(duì)分析對(duì)象劃分網(wǎng)格并求解有限個(gè)數(shù)值來近似模擬真實(shí)環(huán)境的無限個(gè)未知量，其分析過程包含了前處理、加載求解、后處理3個(gè)主要步驟。結(jié)構(gòu)要確定幾點(diǎn)：其一，確定踏步承受力的大致級(jí)別;其二，確定選用那種方式劃分網(wǎng)格;其三，確定建立單元。

2.1 結(jié)構(gòu)靜力問題的分類

結(jié)構(gòu)靜力問題是靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的靜態(tài)行為問題，可以考慮結(jié)構(gòu)的線性和非線性特性。非線性特性包括大變形、大應(yīng)變、應(yīng)力剛化、接觸、塑性、超彈、蠕變等。

2.2 ANSYS分析結(jié)構(gòu)問題的能力

ANSYS具有強(qiáng)大的建模能力、求解能力、網(wǎng)格劃分能力、非線性分析能力、優(yōu)化能力、后處理能力，其靜力結(jié)構(gòu)分析，通過基本未知量是位移，其他未知量如應(yīng)力、應(yīng)變和反力等均通過位移量導(dǎo)出。

2.3 ANSYS使用的實(shí)體單元

實(shí)體單元也是實(shí)際工程中使用最多的單元類型。常用的實(shí)體單元類型solid45，solid92，solid185，solid187這幾種.其中把solid45，solid185可以歸為第一類，他們都是六面體單元，都可以退化為四面體和棱柱體，單元的主要功能基本相同。Solid92，solid187可以歸為第二類，他們都是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元，單元的主要功能基本相同。

如果所分析的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以很方便的全部劃分為六面體單元，或者絕大部分是六面體，只含有少量四面體和棱柱體，此時(shí)，應(yīng)該選用第一類單元，也就是選用六面體單元;如果所分析的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，難以劃分出六面體，應(yīng)該選用第二類單元，也就是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元。

選用了第一類單元類型（六面體單元），但是，在劃分網(wǎng)格的時(shí)候，由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，六面體劃分不出來，單元全部被劃分成了四面體，也就是退化的六面體單元，這種情況，計(jì)算出來的結(jié)果的精度是非常糟糕的，有時(shí)候即使把單元?jiǎng)澐值暮芗?xì)，計(jì)算精度也很差，這種情況是絕對(duì)要避免的。

六面體單元和帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元的計(jì)算精度都是很高的，他們的區(qū)別在于：一個(gè)六面體單元只有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算規(guī)模小，但是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)很難劃分出好的六面體單元，帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元恰好相反，不管結(jié)構(gòu)多么復(fù)雜，總能輕易地劃分出四面體，但是，由于每個(gè)單元有10個(gè)節(jié)點(diǎn)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)比較多，計(jì)算量會(huì)增大很多。

通常情況下，同一個(gè)類型中，各種不同的單元，計(jì)算精度幾乎沒有什么明顯的差別。選取的基本原則是優(yōu)先選用編號(hào)高的單元。比如第一類中，應(yīng)該優(yōu)先選用solid185。第二類里面應(yīng)該優(yōu)先選用solid187。ANSYS的單元類型是在不斷發(fā)展和改進(jìn)的，同樣功能的單元，編號(hào)大的往往意味著在某些方面有優(yōu)化或者增強(qiáng)。

對(duì)于實(shí)體單元，總結(jié)起來就一句話：復(fù)雜的結(jié)構(gòu)用帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體，優(yōu)選solid187，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)用六面體單元，優(yōu)選solid185。

3 結(jié)構(gòu)問題求解

本論文的塔式起重機(jī)的踏步，在塔機(jī)頂升時(shí)有兩個(gè)同時(shí)作用，由于模型和載荷都是軸對(duì)稱的，可以用軸對(duì)稱方法進(jìn)行分析，只對(duì)其中一個(gè)進(jìn)行分析。踏步固定在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主肢上。主肢和踏步用同一種材料，其性質(zhì)如下：彈性模量：EX=2.06e11;泊松比：NUXY=0.3;主肢為兩角鋼扣方，角鋼為200X24;踏步厚H=70;頂升時(shí)踏步承受載荷50t。本論文分析的問題中涉及到大變形，故選用Solid實(shí)體單元10 node187類型來建立十節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體結(jié)構(gòu)單元的模型。圖1為建立的踏步結(jié)構(gòu)幾何模型。

在ANSYS15.0中，首先我們通過完成如下工作來建立本實(shí)例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析標(biāo)題，定義單元類型，定義材料性能，建立結(jié)構(gòu)幾何模型、進(jìn)行網(wǎng)格劃分等。根據(jù)本實(shí)例的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們將首先建立主肢和踏步模型，然后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到有限元模型。如圖2所示。

4 結(jié)果與結(jié)論

ANSYS軟件是一種功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，可以靈活方便的對(duì)問題進(jìn)行分析、計(jì)算。隨著版本的不斷更新，ANSYS軟件有更多的改進(jìn)，更大程度的方便用戶使用，在科學(xué)和工程計(jì)算領(lǐng)域會(huì)有更廣闊的前景，但是本論文中的問題為結(jié)構(gòu)變形位移和應(yīng)力是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的問題，因?yàn)楸灸Ｐ椭髦倪B接方式與實(shí)體塔機(jī)相差太大，此次主要分析踏步的強(qiáng)度問題，所受應(yīng)力是否在允許范圍內(nèi)。在有限元求解過程中我們選擇，這個(gè)模型中的結(jié)構(gòu)受力后的單元情況，如圖3所示。

從踏步應(yīng)力分布圖中，可以看出踏步應(yīng)力主要分布在踏步和主肢連接處，集中在踏步與主肢焊縫的上下連接邊緣處，但最大應(yīng)力為166MP，符合要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]參數(shù)化編程命令與實(shí)例講解/高長(zhǎng)銀等主編.—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.7

[2] ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊(cè)/龔曙光，謝桂蘭，黃云清編著.—北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.8（2015.10重?。?/p>