李常勝 郭秀云 梁建明 張?zhí)m娣 王少雷

河北建筑工程學院

0 前 言

塔式起重機是現代工業(yè)與民用建筑的主要施工機械之一.QTZ630塔式起重機是為滿足中高層建筑施工、設備安裝而設計的新型起重運輸機械,它廣泛地適用于多層和高層民用建筑,多層大跨度工業(yè)廠房,及采用滑模施工的高大煙囪和筒倉等塔型建筑物的施工,也可用于港口,貨場的裝卸.本機性能先進,結構合理,操作簡單,使用安全.主要特點起升高,附著時可達140米,工作幅度大,可達55米.

本設計按照整機主要性能參數,確定了吊臂的結構參數,并按照吊臂端部加載、跨中加載和根部加載三種工況分析.通過對吊臂作適當的簡化,應用ANSYS軟件建立吊臂有限元模型,對各工況施加載荷,進而得到各節(jié)點受力情況,及各單元所受軸向力、軸向應力大小,及各工況下吊臂的變形撓度大小,清楚地展現了各工況下吊臂的受力性能.從而獲得吊臂的最終參數結果.

1 吊點位置的選擇(見參考文獻(4))

單吊點小車變幅臂架是靜定結構,而雙吊點小車變幅臂架是超靜定結構.對于大幅度塔式起重機,采用單吊點同采用雙吊點相比,在相同工況下,單吊點吊臂變形撓度大,臂架自重將會有明顯的加大,致使用鋼量加大,成本加大,采用雙吊點,將會改善吊臂的受力狀況,同單吊點相比,自重減輕5%-10%

由第一吊點位置L1=0.27 L,第二吊點為L2=L,初選第一吊點位置距吊臂根部為12.685 m,第二吊點取三個位置分別距吊臂根部距離為35.795 m,37.445 m,39.095 m.通過后續(xù)過程的有限元分析計算,分別對該三種組合進行分析,對比分析結果,選擇最優(yōu)組合.

2 有限元模型建立過程的幾點簡化

2.1 自重及風載荷的簡化

對于吊臂自重,簡化為集中力均加于上弦桿的節(jié)點上.風載荷作為集中力均加于迎風面下弦桿的節(jié)點處.

2.2 吊點處約束的確定

為與現實更為符合,此次建模將于實際情況一樣將用拉桿限制吊點約束,再將拉桿的另一端,即塔頂處,加除一轉動自由度以外的五個自由度給以約束,這樣便能使分析結果更加與實際接近.

2.3 單元類型選擇

通過對吊臂的簡化,忽略吊臂間的聯(lián)系,把吊臂看成均勻的空間鋼架.上下弦桿設置為壓彎單元,腹桿設置為空間鏈單元.

2.4 模型生成及分析過程

先生成節(jié)點,通過節(jié)點生成單元,再施加載荷,在施加載荷時,在每組吊點組合中,分別按三種工況加載,分別在吊臂最大有效幅度處,跨中處,吊臂最小有效幅度處.在分析中修改模型三次(三個吊點位置),每個模型分別按三個工況加載.

3 吊臂結構的有限元計算

3.1 分析流程及程序

此設計中吊臂結構的有限元分析計算采用了ANSYS軟件,其整個分析程序流程圖如圖1:

圖1 吊臂結構有限元流程圖

3.2 55米臂模型的建立

通過坐標生成節(jié)點,通過節(jié)點生成單元,忽略節(jié)間連接,把吊臂看成均勻的空間鋼架,上下弦桿采用Beam4單元類型,腹桿采用Link8單元類型,第一吊點位置去距吊臂根部距離12.685 m,第二吊點位置分別取37.445 m與39.095 m兩處一座比較.吊臂自重均加于上弦桿,工作載荷按在吊臂端部、跨中、根部三位置加載.如圖2.

圖2 加完自重及位移約束模型圖

3.3 第二吊點位于37.445 m處的計算

對模型施加載荷和位移約束,即可對模型進行有限元計算,結果如圖3、圖4、圖5.

圖3 工作載荷位于端部變形圖

圖4 工作載荷位于跨中變形圖

圖5 工作載荷位于吊臂根部變形圖

3.4 第二吊點位于39.095處的計算

對模型求解的結果如圖6、圖7、圖8.

圖6 工作載荷位于端部變形圖

圖7 工作載荷位于跨中變形圖

圖8 工作載荷位于吊臂根部變形圖

3.5 兩種吊點位置計算結果的比較

對上述兩位置的吊臂通過ANSYS有限元軟件計算得出吊臂在不同工況下的最大撓度、單元軸向力最大值如表2.

表2 兩種計算結果比較

4 結 論

(1)吊臂為空間桁架結構,理論計算較為復雜,而應用ANSYS有限元軟件計算則行之有效.

(2)通過ANSYS計算表明:吊點位置的不同對撓度及軸向壓力有很大影響,綜合分析第二吊點位于39.095 m處吊臂受力性能優(yōu)于第二吊點位于37.445 m處.

[1]白葳、喻海良編著,通用有限元分析ANSYS8.0基礎教程.北京:清華大學出版社,2005

[2]龔曙光主編,ANSYS基礎應用及范例解析,北京,機械工業(yè)出版社,2003

[3]GB/T13792-92,塔式起重機設計規(guī)范,北京,中國標準出版社,1993

[4]劉佩衡主編.塔式起重機使用手冊.北京:機械工業(yè)出版社,2002