吳俊峰

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450015）

ANSYS在塔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

吳俊峰

（華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450015）

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法下塔式起重機(jī)試制樣機(jī)成本高、設(shè)計(jì)效率低，用ANSYS軟件對(duì)QTZ40型塔式起重機(jī)進(jìn)行建模與有限元分析，對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的連接、約束、載荷進(jìn)行有效處理，通過(guò)對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度校核，驗(yàn)證了塔機(jī)設(shè)計(jì)方案的合理性，也證實(shí)了有限元分析法的可行性，為塔機(jī)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

塔機(jī)；ANSYS；有限元

0 引言

塔式起重機(jī) （以下簡(jiǎn)稱塔機(jī)）是一種重要的施工機(jī)械，由于具有工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程建設(shè)中的主要機(jī)種之一。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法普遍是依據(jù)材料力學(xué)中的許用應(yīng)力校核原理得出的，真正分析的對(duì)象僅僅是結(jié)構(gòu)的截面形狀和面積等參數(shù)。由于受工作量限制，該方法只能驗(yàn)算幾個(gè)在理論上認(rèn)為是危險(xiǎn)的截面，計(jì)算的精度一開(kāi)始就受到限制，不僅工作量很大并且具有一定的盲目性，已不能適應(yīng)由激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)造成的最短周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。

ANSYS是一種運(yùn)用廣泛的通用有限元分析軟件，它是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。在工程設(shè)計(jì)和分析中受到越來(lái)越廣泛的重視，其計(jì)算結(jié)果不僅詳盡，而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算將會(huì)極大地提高設(shè)計(jì)效率、保證其設(shè)計(jì)質(zhì)量，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，從而有效地縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更加合理。

1 塔機(jī)結(jié)構(gòu)建模

塔機(jī)在工作過(guò)程中絕大部分的載荷來(lái)自自重和吊重的作用，還包括沖擊載荷、風(fēng)載荷等，但是無(wú)論這些外界載荷作用點(diǎn)在塔機(jī)的什么部位，最終都要傳遞給塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)，因此塔機(jī)的結(jié)構(gòu)性能很大程度上決定了整機(jī)質(zhì)量的好壞。本文用ANSYS軟件對(duì)QTZ40塔機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度和剛度分析，計(jì)算出塔機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形。模型建立的依據(jù)為塔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原始尺寸，金屬結(jié)構(gòu)采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235,該材料的彈性模量E= 210GPa，泊松比μ=0.3，屈服極限σs=235MPa，密度ρ= 7800kg/m3。由于塔機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要是由桁架焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜，結(jié)合其實(shí)際受力特點(diǎn)，有限元模型的單元類型選擇彈性三維梁?jiǎn)卧?BEAM4，它是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。在建模過(guò)程中，為了保證結(jié)構(gòu)模型的有效完整和實(shí)際的可操作性，做了以下兩點(diǎn)處理。

（1）主弦桿和腹桿的每個(gè)連接點(diǎn)都根據(jù)實(shí)際尺寸建立了節(jié)點(diǎn)，另外每段臂節(jié)的連接點(diǎn)也建立了節(jié)點(diǎn)，保證有限元模型與塔機(jī)在幾何上相同。

（2）對(duì)結(jié)果影響不大的局部結(jié)構(gòu) （如鋼絲繩、吊鉤等）由于它們的質(zhì)量與整個(gè)結(jié)構(gòu)相比顯得很小，為建立模型方便可以不用考慮。

靜態(tài)有限元分析是計(jì)算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，不考慮慣性和阻尼的影響以及結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的載荷情況。在塔機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期全面了解其在不同工況下的強(qiáng)度狀況，確定應(yīng)力、應(yīng)變危險(xiǎn)點(diǎn)，為塔機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析指導(dǎo)。

圖1 塔機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.1 The finite element model of tower crane structure

2 有限元分析主要步驟

應(yīng)力、應(yīng)變分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的基本內(nèi)容，而塔機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析的主要任務(wù)就是計(jì)算在固定載荷作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形，以便對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行校核，保證結(jié)構(gòu)既安全、正常工作，又符合經(jīng)濟(jì)性的要求。

2.1 載荷

塔機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析計(jì)算時(shí)需要考慮的主要載荷包括自重載荷、起吊載荷、沖擊載荷、風(fēng)載荷。下面詳述如下：①自重載荷：金屬結(jié)構(gòu)自重鋼材密度取7.8×103kg/m3；②起吊載荷：塔機(jī)總起重量的重力，考慮工況的不同，起吊載荷也會(huì)不同；③沖擊載荷：起重小車(chē)運(yùn)行時(shí)，由于軌道不平整，通過(guò)起升荷載乘以動(dòng)力放大系數(shù)來(lái)考慮起升荷載的動(dòng)載效應(yīng)，取沖擊系數(shù)為1.1，起升制動(dòng)加速度按照 0.1m/s2考慮；④風(fēng)載荷：工作狀態(tài)風(fēng)載荷Fw=CwPwA，其中Pw為風(fēng)壓，取工作狀態(tài)Pw=250N/m2；Cw為風(fēng)力系數(shù)，取工作狀態(tài)Cw=1.3；A為迎風(fēng)面積。

2.2 工況

根據(jù)QTZ40型塔機(jī)的工作特點(diǎn)，這里分三種工況進(jìn)行計(jì)算分析：①前端加載1t；②臂架中間加載2.2t；③最近端加載 4t。

計(jì)算中載荷施加情況和采用的單位如下。定義一個(gè)沿著塔機(jī)模型重力方向 (本文是沿整體坐標(biāo)系 -Y軸 )的重力加速度，讓自重以慣性力的形式加在每個(gè)單元上，風(fēng)載以面壓力的形式加在臂架架體迎著風(fēng)向的受力面上，根據(jù)理論計(jì)算分析，在塔機(jī)工作時(shí)，風(fēng)側(cè)向吹時(shí)最為不利，因此這里僅考慮側(cè)向風(fēng)載荷。本文中計(jì)算值單位：應(yīng)力數(shù)值單位為MPa，變形數(shù)值單位為mm。

圖2 工況1應(yīng)力及變形Fig.2 The stress and deformation of working condition 1

2.3 約束處理

塔機(jī)下端四個(gè)角位置處全約束，限制3個(gè)平動(dòng)自由度和 3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，除此以外，所有的節(jié)點(diǎn)均為自由節(jié)點(diǎn)。

圖3 工況2應(yīng)力及變形Fig.3 The stress and deformation of working condition 2

2.4 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算結(jié)果表明：通過(guò)對(duì)各種工況下計(jì)算的應(yīng)力及變形圖進(jìn)行分析，其中最大應(yīng)力為124.3MPa，小于鋼材的許用應(yīng)力值[σ] =180MPa，所受靜強(qiáng)度低于材料的強(qiáng)度極限，滿足設(shè)計(jì)時(shí)的性能要求。Y向變形最大值為124mm，小于許用值42000mm/250=168mm，滿足強(qiáng)度和剛度要求，根據(jù)撓度的變形值，在制造時(shí)預(yù)先制作好上翹度，這樣在起吊荷載的時(shí)候，可以保證臂架的水平度，有利于小車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行。綜上可以看出整個(gè)塔機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，可以很好地分析出塔機(jī)結(jié)構(gòu)的整體應(yīng)力分布等特性，從應(yīng)力分析角度看，材料抵抗破壞的能力有很大潛力。綜合評(píng)價(jià)：塔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨于保守，能在危險(xiǎn)工況下安全工作，而且具有較大的優(yōu)化空間，可通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)合理經(jīng)濟(jì)的使用材料。

圖4 工況3應(yīng)力及變形Fig.4 The stress and deformation of working condition 3

3 結(jié)論

（1）建立了塔機(jī)結(jié)構(gòu)的BEAM4單元模型，并結(jié)合實(shí)際受力特點(diǎn)施加等效的節(jié)點(diǎn)約束和各種載荷，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度、剛度分析與校核，對(duì)載荷的施加、結(jié)構(gòu)件之間的連接及約束根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)作了適當(dāng)處理，避免了局部計(jì)算應(yīng)力過(guò)大與實(shí)際情況不相符的現(xiàn)象。

（2）分析了塔機(jī)結(jié)構(gòu)工作過(guò)程中的工況及承受的載荷，進(jìn)行了強(qiáng)度與剛度計(jì)算。通過(guò)ANSYS軟件建立塔機(jī)結(jié)構(gòu)模型并對(duì)之進(jìn)行有限元分析，是一種行之有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證方法，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中起到非常重要的作用，可以使塔機(jī)設(shè)計(jì)者在虛擬設(shè)計(jì)階段就可以很容易地分析和修改設(shè)計(jì)方案，避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中昂貴耗時(shí)的樣機(jī)的制造，降低了生產(chǎn)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期，有利于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。

[1]龔曙光.ANSYS工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]趙偉，王良文，徐中明.塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元分析[J].機(jī)械與電子，2006，10.

[3]吳啟鶴.塔式起重機(jī)的應(yīng)用和計(jì)算[M].成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1996.

The Application of ANSYS in the Structure Design of Tower Crane

WU Jun-Feng
（Huadian Zhengzhou Machinery Design Research Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450015,China）

Traditional design methods of tower crane manufacture prototype cost is high,the design efficiency is low,Establish model and finite element analysis with ANSYS,deal with the connection、constraints、load of metal structure effectively,through tower crane structure strength and rigidity check,to validate the rationality of the design of tower crane,also confirmed the feasibility of finite element analysis method，as to provide theoretical basis for optimum design of tower crane products.

tower crane；ANSYS；finite element

TP391.9

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.038

1002－6673（2014）03－096－03

2014－03－03

吳俊峰 (1982-)，男，河南鄭州人，工程師，工學(xué)碩士。從事水電站起重設(shè)備方面的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。