董富祥
摘 要:本文利用ANSYS軟件對塔式起重機進(jìn)行有限元分析,建立起塔式起重機簡化模型,對其各個位置處應(yīng)力值進(jìn)行計算,為塔式起重機的設(shè)計及計算提供一定的參考。
關(guān)鍵詞:起重機;有限元分析;ANSYS
中圖分類號:TH213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
0.引言
塔式起重機對現(xiàn)代工業(yè)與建筑行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛,其構(gòu)造為鋼結(jié)構(gòu),承受著所有的荷載及自身重量。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力值的大小直接決定著起重機設(shè)計所需材料是否符合標(biāo)準(zhǔn),從而起重機的質(zhì)量。為使材料能滿足起重機應(yīng)力要求,對其進(jìn)行有限元分析便十分有必要。本文通過對應(yīng)力值與許用應(yīng)力的大小相比較,得出材料是否適用的相關(guān)結(jié)論,為塔式起重機的設(shè)計提供了參考。
1.有限元模型的建立
有限元模型的建立對起重機結(jié)構(gòu)有限元分析起著決定性作用,其模型建立的過程是將真實結(jié)構(gòu)簡化模擬仿真并對其主要參數(shù)精度進(jìn)行控制。模型建立的方法要根據(jù)所要分析的目的,分析整體結(jié)構(gòu)時要將視點放置于遠(yuǎn)方,分析局部結(jié)構(gòu)時要將視點放置于拉近時位置。具體模型的建立過程如下:
1.1模型的簡化處理
模型的設(shè)置既要控制計算量,又要保證計算的準(zhǔn)確性。因而在模型設(shè)定的時候?qū)λ狡鹬貦C進(jìn)行了一系列簡化處理:(1)將幾何結(jié)構(gòu)、剛度回轉(zhuǎn)機構(gòu)等效設(shè)置為梁單元;(2)對平衡臂部分截面尺寸適當(dāng)當(dāng)加大從而有效地模擬平衡重;(3)為簡化模型結(jié)構(gòu),將對計算結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)如起重鋼絲繩、司機室等忽略處理;(4)按梁單元處理起重臂與平衡臂的斜拉索;(5)采用質(zhì)量單元模擬質(zhì)量較小且集中的變幅機構(gòu)等塔機附件。
1.2單元的選取
對于起重機結(jié)構(gòu)模型的建立,本文在不影響塔機結(jié)構(gòu)的受力原則下,整機結(jié)構(gòu)自重根據(jù)模型,通過施加重力加速度由程序自行計算。有限元建模的簡化過擦恒會使自重略有減小,可以通過增大材料密度來對其進(jìn)行補償。在一些質(zhì)量集中處,如起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、平衡重及回轉(zhuǎn)機構(gòu)等,可以通過在相應(yīng)位置處增加質(zhì)量單元。模型整個臂架機構(gòu)離散為1345個單元,其中583個梁單元,1867個桿單元,21個質(zhì)量單元,1006個節(jié)點,其有限元模型如圖1所示。
1.3材料屬性的定義及邊界條件的設(shè)置
起重機模型建立時材料的選擇如下:腹桿材料選擇Q235B,塔身桿件、拉桿、平衡臂弦桿和塔機起重臂材料選擇Q345A,模型的邊界約束條件選取盡量和實際工況一致。由于起重機底部剛度很大,因而在模型的建立過程默認(rèn)底部可承受較強彎矩,支座固定。本文研究的工況為,工況一:起重量Q=22t,工作幅度R=23.5m;工況二:起重量Q=0t,風(fēng)荷載計算工作狀態(tài):Pw=CqA,其中,C為風(fēng)力系數(shù);q為計算風(fēng)壓,A為迎風(fēng)面積,非工作狀態(tài):Pw=CKhqA,并以節(jié)點荷載形式施加在結(jié)構(gòu)相應(yīng)各節(jié)點上。
2.結(jié)構(gòu)載荷的模型化處理
在建模處理時,塔機的計算載荷必選采用最不利工況下的載荷,這樣才能保證運行的可靠性和安全性。自重載荷的建模過程由于軸銷連接、螺栓連接等連接方式忽略,因而建模后質(zhì)量會比實際工程質(zhì)量小,為保證計算的準(zhǔn)確性,可考慮將材料的密度增大。增大重力加速度也可以減少由于模型質(zhì)量減輕帶來的影響,但使用這種方法會對結(jié)構(gòu)在靜態(tài)及瞬態(tài)動力學(xué)分析時,造成單元質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力變大,從而影響計算結(jié)果。建模通過加速度對回轉(zhuǎn)和啟動、制動引起的慣性荷載進(jìn)行施加。起升荷載的施加用集中應(yīng)力來模擬,風(fēng)荷載的施加以集中應(yīng)力的形式通過公式計算分散到各個節(jié)點上。
3.應(yīng)力分析
3.1起重臂應(yīng)力分析
對于工況一,其材料Q235和Q345許用應(yīng)力分別為175MPa和257MPa。
對于起重臂的上弦桿最大應(yīng)力位置在單元199,應(yīng)力值為-59.8MPa;最大拉應(yīng)力位置在單元542,其應(yīng)力值為61.3MPa,模擬值和實際情況較為符合。對于起重臂下弦桿,其最大壓應(yīng)力位置在單元23,最大壓應(yīng)力值為-247.5MPa,小于材料許用應(yīng)力。圖3為下弦桿應(yīng)力局部放大圖,壓應(yīng)力值符合實際情況。
3.2平衡臂應(yīng)力分析
對于平衡臂弦桿的應(yīng)力,其最大值發(fā)生在上弦桿處的單元313,應(yīng)力值為-158MPa,小于材料的許用應(yīng)力。
3.3塔身應(yīng)力分析
塔身主肢的最大應(yīng)力發(fā)生在單元1602,最大應(yīng)力值為-215MPa,小于材料的許用應(yīng)力。
4.應(yīng)注意的問題
在建模過程中,應(yīng)注意可能會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響的問題。首先是量綱的選擇問題,量綱的選擇直接影響計算的精度。在計算的過程中,幾何模型的參數(shù)過大或過小便會存在舍入誤差、起重機的ANSYS分析中主要用到的量綱為質(zhì)量、長度、應(yīng)力、重力加速度等,單位應(yīng)統(tǒng)一處理。
結(jié)語
計算機的使用對于塔式起重機的結(jié)構(gòu)分析起到重大作用,分析時首先經(jīng)過合理的簡化建模,根據(jù)某一工況對所建模型進(jìn)行計算,然后得到其各個位置處的應(yīng)力值,將其應(yīng)力值與所選擇材料的許用應(yīng)力相比較,分析該材料的可用性,對塔式起重機的合理設(shè)計及計算體提供一定參考。
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