潘友杰 （安徽建筑機(jī)械有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601）

基于ANSYS的塔式起重機(jī)有限元靜力分析

潘友杰 （安徽建筑機(jī)械有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230601）

根據(jù)塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理劃分，使用有限元方法建立塔機(jī)三維模型，著重分析模型單元類型選擇和網(wǎng)格粒度劃分問題；詳細(xì)計(jì)算塔機(jī)在特定工作環(huán)境下所受的自重、風(fēng)載和起吊載荷，建立塔機(jī)受載模型；最后簡(jiǎn)要分析塔式起重機(jī)的應(yīng)力分布和位移變形情況，為整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

塔式起重機(jī)；網(wǎng)格劃分；負(fù)載分析

塔式起重機(jī)是建筑工程領(lǐng)域的重要機(jī)械設(shè)備，是建筑施工作業(yè)的主要起重運(yùn)輸機(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[1]。塔機(jī)的工作特點(diǎn)是將各種建筑材料在其工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)垂直與水平運(yùn)輸，其工作安全性直接關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)工作效率與工作人員的人身安全[2]。對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①保證塔機(jī)的工作安全性，降低安全事故的發(fā)生；②合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸，減少塔機(jī)重量，降低制造成本；③改善塔機(jī)起重性能，有效提高工作效率。

塔式起重機(jī)的整體結(jié)構(gòu)主要包括塔身、吊臂、平衡臂、塔尖、拉桿、回轉(zhuǎn)平臺(tái)等，其中吊臂為塔機(jī)的工作核心部件。根據(jù)塔機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在建模過程中可將結(jié)構(gòu)分為三部分：①塔身、吊臂、平衡臂和塔尖，這類結(jié)構(gòu)以梁結(jié)構(gòu)為主，主要受到兩端拉力和彎矩的作用，建模時(shí)選取梁?jiǎn)卧獙?duì)其實(shí)體進(jìn)行等效屬性附加；②拉桿，拉桿在工作時(shí)只受到兩端拉力作用，體現(xiàn)桿結(jié)構(gòu)特征，可選取桿單元對(duì)拉桿進(jìn)行等效實(shí)體建模；③回轉(zhuǎn)平臺(tái)，回轉(zhuǎn)平臺(tái)為實(shí)體結(jié)構(gòu)，可等效為實(shí)體單元模型。根據(jù)以上分析，建立塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)框架模型如圖所示。

圖1 塔機(jī)結(jié)構(gòu)框架模型

采用自底向上[3]的建模方式進(jìn)行建模，即從點(diǎn)到線，再到面、實(shí)體的建模方式。首先在ansys三維坐標(biāo)系中建出目標(biāo)關(guān)鍵點(diǎn)，再由點(diǎn)生成線，最后給所有線劃分網(wǎng)格并賦予合適的截面形狀、密度、彈性模量、泊松比等。

1.2.1 定義材料屬性

塔機(jī)選用的材料為碳鋼，主要型號(hào)為Q235或Q345；楊氏彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比為μ=0.3，密度取7800kg/m3。

1.2.2 選擇單元類型

使用ansys建模時(shí)，根據(jù)塔機(jī)各部分的結(jié)構(gòu)特征選取合適的模型單元是建立合理模型的關(guān)鍵。對(duì)于梁特征結(jié)構(gòu)可選擇beam類單元賦予屬性，這類單元可承受拉、壓、彎、扭各種載荷特征，且其每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有6個(gè)自由度，包括x、y、z3個(gè)方向上的線位移和角位移[4]。桿結(jié)構(gòu)則選取link類單元建立模型，link類單元只能承受軸向拉力，不能承受彎矩?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)等效為實(shí)體結(jié)構(gòu)，選擇實(shí)體單元對(duì)模型進(jìn)行劃分。

1.2.3 網(wǎng)格粒度劃分原則

網(wǎng)格粒度劃分[5]是指對(duì)于不同結(jié)構(gòu)特征部位選取合適的網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密度、網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格布局情景對(duì)劃分對(duì)象進(jìn)行合理粒度劃分。塔式起重機(jī)的整體模型具有不對(duì)稱性，對(duì)于各個(gè)結(jié)構(gòu)部分需采取不同形式的粒度劃分方式，其重要?jiǎng)澐衷瓌t為以下幾點(diǎn)：

①網(wǎng)格數(shù)量影響計(jì)算精度和運(yùn)算規(guī)模大小，增加網(wǎng)格數(shù)量，提高模型的計(jì)算結(jié)構(gòu)精度，但同時(shí)也會(huì)增大計(jì)算規(guī)模；

②合理規(guī)劃網(wǎng)格疏密度能夠有效提高計(jì)算精度，在結(jié)構(gòu)特征突變較明顯的部位(如桿件連接部)應(yīng)采取較為密集的網(wǎng)格，在結(jié)構(gòu)特征相似度較大的部位則選擇相對(duì)稀疏的網(wǎng)格；

③網(wǎng)格質(zhì)量是指網(wǎng)格形狀的合理性，在重點(diǎn)結(jié)構(gòu)部位需選擇高質(zhì)量網(wǎng)格，相對(duì)次要的部位，相應(yīng)網(wǎng)格質(zhì)量可適當(dāng)降低。

根據(jù)上述要求，通過ansys建立塔式起重機(jī)的三維模型如圖所示。

圖2 基于ansys的塔機(jī)三維模型

力學(xué)分析是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的的重要階段，其主要目的是確定結(jié)構(gòu)在受力條件下受指定載荷、溫度和約束的應(yīng)力和位移分布[6]。本文以6518塔式起重機(jī)為例，分析該型號(hào)塔機(jī)在65m處，吊1.8t重物這一工況下的應(yīng)力分布和位移變形情況。在整個(gè)模型分析過程中，為了分析結(jié)果更加符合實(shí)際情況，不能單純的只附加起吊載荷，需考慮自重、風(fēng)載、起升載荷等各種載荷對(duì)塔機(jī)模型的綜合作用效果，模型附加載荷如圖所示。

圖3 塔機(jī)模型載荷分布圖

自重載荷的計(jì)算過程是：分別建立塔身、塔頂、平衡臂、吊臂和拉桿的有限元模型，針對(duì)每一種模型分別選取4個(gè)支點(diǎn)做全自由度約束處理，并只施加重力加速度（9.81m/s2），根據(jù)支點(diǎn)的支反力計(jì)算相應(yīng)質(zhì)量，再加上平衡重的質(zhì)量，得到塔機(jī)的整體質(zhì)量。其數(shù)學(xué)計(jì)算模型如下：

其中：Gi為第i部分結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

起升載荷是指塔機(jī)在工作時(shí)起吊的負(fù)載重量以及負(fù)載在上升過程中產(chǎn)生的慣性載荷的總和，其數(shù)學(xué)計(jì)算表達(dá)式為：

其中：FQ′為起升載荷重量；PHQ為起升慣性載荷，PHQ=Φ5（FQ′+0.145）×a；Φ5為安全系數(shù)（1≤Φ5≤2）；a為起升時(shí)的加速度。

塔機(jī)為戶外作業(yè)重型機(jī)械，在受載分析時(shí)需要考慮所處外界環(huán)境對(duì)工作過程的影響，本文主要考慮風(fēng)壓因素。為了使塔機(jī)受載載荷最大化，以側(cè)向風(fēng)為風(fēng)力方向，則受風(fēng)面主要有塔身和臂架側(cè)面兩部分，同時(shí)起吊重物也會(huì)受到風(fēng)力作用。

受風(fēng)等效面積A計(jì)算公式如下：

其中：A1為塔身面積；A2為臂架垂直于風(fēng)向的投影面積：ω為結(jié)構(gòu)的充實(shí)率；η為桁架結(jié)構(gòu)檔風(fēng)折減系數(shù)。

風(fēng)載計(jì)算公式：Fw=CwPwA

其中：Cw為單片結(jié)構(gòu)風(fēng)力系數(shù)，取1.3；Pw為工作狀態(tài)風(fēng)壓250Pa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，吊重風(fēng)載可按照起吊重力的3%計(jì)算，則可得到吊重所受風(fēng)壓，最后得到風(fēng)載加速度。

6518塔式起重機(jī)的吊臂65m處起吊1.8t重物時(shí)，塔機(jī)的變形情況和位移分布情況如圖4所示。由圖4可知：塔機(jī)的最大位移變形處為吊臂端部最遠(yuǎn)點(diǎn)，其位移Y=1399mm。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，該變形量在許可變形范圍之內(nèi)。

TU17

A

1007-7359（2016）05-0262-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.094

潘友杰（1965-），男，安徽安慶人，畢業(yè)于沈陽(yáng)建筑大學(xué)，碩士，高級(jí)工程師。