王文浩，毛曉菲，葉學(xué)華，秦義校

（1．太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2．西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710129；3．西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安 710129）

0 引言

塔式起重機(jī)有很高的塔身和很長的臂架，可以提供一個(gè)很大的施工范圍，因此廣泛應(yīng)用于建筑施工和工業(yè)起重領(lǐng)域。塔身一般由很多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的拓?fù)湫螤睢缀纬叽?、截面類型和安裝方法都是相同的。因此在設(shè)計(jì)塔身時(shí)，可以先從分析標(biāo)準(zhǔn)節(jié)入手。

1 塔身建模和位移約束

1．1 塔身建模

塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型尺寸為1．3mm×1．3mm×2．2 mm，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)由主弦桿和腹桿構(gòu)成，腹桿又分為斜腹桿和直腹桿。根據(jù)塔身的受力特點(diǎn)（即外力主要作用在節(jié)點(diǎn)上，在桿件上很少有外力作用），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可以簡化為只對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)受力的link單元進(jìn)行分析，這樣塔架就簡化為空間桁架。本文考慮了塔身自重的影響，桿件上有均布荷載，所以采用空間梁單元Beam188建模，這樣更接近實(shí)際情況。選用單元建模不僅提高了計(jì)算精度，而且可以顯示單元的實(shí)際截面形狀。塔身建模的主要命令如下：

n，1，650，0，－650

n，2，650，0，650

n，3，－650，0，650

n，4，－650，0，－650

n，5，650，100，－650

n，6，650，100，650

n，7，－650，100，650

n，8，－650，100，－650

n，9，650，1200，－650

n，10，650，1200，650

n，11，－650，1200，650

n，12，－650，1200，－650 n，13，650，2300，－650

n，14，650，2300，650

n，15，－650，2300，650

n，16，－650，2300，－650

n，17，650，2400，－650

n，18，650，2400，650

n，19，－650，2400，650

n，20，－650，2400，－650

e，1，5

e，2，6

e，3，7

e，4，8

e，5，9

e，6，10

e，7，11

e，8，12

e，9，13

e，10，14

e，11，15

e，12，16

e，13，17

e，14，18

e，15，19

e，16，20

e，5，6＄e，9，10＄e，13，14

e，6，7＄e，10，11＄e，14，15

e，7，8＄e，11，12＄e，15，16

e，5，8＄e，9，12＄e，13，16

e，5，10＄e，10，13＄e，6，11

e，11，14＄e，7，12＄e，12，15

e，8，9＄e，9，16＄e，9，11

e，13，15 ＄ e，5，7

建好的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型如圖1所示。

使用命令“／eshape，1”可以顯示標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的實(shí)際模型圖，如圖2所示。

1．2 位移約束

根據(jù)塔式起重機(jī)與地面的實(shí)際錨固情況，在底部4個(gè)節(jié)點(diǎn)分別施加約束，節(jié)點(diǎn)1在Y方向和Z方向施加約束，節(jié)點(diǎn)2在Y方向，節(jié)點(diǎn)3在X和Y方向，節(jié)點(diǎn)4在X、Y和Z方向施加約束。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的實(shí)際模型

2 塔機(jī)工況

本文考慮如下3種載荷工況對(duì)塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的影響。

工況1：在滿載情況且塔機(jī)臂架與塔身腹桿平行時(shí)，塔身承受130kNm的彎矩和200kN的壓力。在滿載情況下考慮塔機(jī)在起重臂一側(cè)傾覆的可能性最大，因此取起重臂一側(cè)的立柱與地面的交點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)中心。這樣在4個(gè)立柱上力的分配為：起重臂一側(cè)19號(hào)和20號(hào)節(jié)點(diǎn)承受壓力150kN，靠近平衡臂一側(cè)的17和18號(hào)節(jié)點(diǎn)承受拉力50kN。

工況2：在滿載且塔臂在45°方向時(shí)，靠近平衡臂一側(cè)的17號(hào)節(jié)點(diǎn)承受拉力30．7kN，中間立柱頂端的18和20號(hào)節(jié)點(diǎn)承受壓力40kN，靠近起重臂一側(cè)的立柱頂端19號(hào)節(jié)點(diǎn)承受110．7kN的壓力。

工況3：當(dāng)塔臂在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)作用。由塔臂的平衡重、起重物重以及塔臂自重，根據(jù)塔臂的回轉(zhuǎn)速度可以計(jì)算出啟動(dòng)瞬間的角加速度，進(jìn)一步可求出標(biāo)準(zhǔn)節(jié)承受的扭矩為5 000Nm。由文獻(xiàn)［1］知可將扭矩平均分配給4根立柱，這樣每根立柱承受的力分解在X和Z方向各為961．54N，分別作用在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的17、18、19、20號(hào)節(jié)點(diǎn)。

3 各個(gè)工況下的變形和內(nèi)力分析

3．1 工況1

首先通過“／post1”進(jìn)入后處理模塊，然后通過“set，1，1”選擇第一載荷步也就是工況1。輸入命令“pldisp，2”，這樣就可同時(shí)顯示出標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在變形前（虛線）、后（實(shí)線）的圖形，如圖3所示。

輸入以下命令提取各桿件的內(nèi)力：

etable，smisc31，smisc，31

etable，smisc36，smisc，36

plls，smisc31，smisc36

其中：命令“etable，smisc31，smisc，31”定義起始端的軸向應(yīng)力SDIR的單元表smisc31；“etable，smisc36，smisc，36”定義終止端的軸向應(yīng)力SDIR的單元表smisc36；命令“plls，smisc31，smisc36”圖形顯示單元軸向應(yīng)力分布。得出的在工況1下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的軸向應(yīng)力如圖4所示。

3．2 工況2

通過“set，2，1”選擇第二載荷步，經(jīng)過與3．1相同的步驟可以得到工況2下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的變形圖和軸向應(yīng)力圖，如圖5和圖6所示。

圖3 工況1下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的變形

圖4 工況1下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的軸向應(yīng)力分布

圖5 工況2下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的變形

圖6 工況2下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的軸向應(yīng)力分布

3．3 工況3

通過“set，3，1”選擇第三載荷步，經(jīng)過與3．1相同的步驟可以得到工況3下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的變形圖和軸向應(yīng)力圖，如圖7和圖8所示。

從有限元分析結(jié)果圖3～圖8中可以看出，塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)立柱的軸向應(yīng)力在3種工況下總體變化不大，但在工況3下斜腹桿出現(xiàn)較大應(yīng)力，說明斜腹桿在塔機(jī)的抗扭方面發(fā)揮很大的作用。

圖7 工況3下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的變形

4 結(jié)語

塔機(jī)塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中的立柱主要承擔(dān)豎向的載荷，腹桿主要配合立柱受力，它主要在塔身承受扭轉(zhuǎn)力和水平方向的力時(shí)發(fā)揮作用。塔身整體的軸向力由立柱承擔(dān)，腹桿主要承擔(dān)剪力和平行于塔身軸線的扭矩。

圖8 工況3下標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的軸向應(yīng)力分布

［1］ 徐格寧．機(jī)械裝備金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］．第2版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［2］ 龔曙光，謝桂蘭，黃云清．Ansys參數(shù)化編程與命令手冊［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009．

［3］ 張質(zhì)文，虞和謙，王金諾，等．起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊［M］．北京：中國鐵道出版社，2001．