【摘要】：塔式起重機(jī)是廣泛應(yīng)用于建筑施工和工業(yè)起重的機(jī)械，淺析了塔式起重機(jī)的研究現(xiàn)狀，利用有限元分析軟件ANSYS，為了便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)的建立和修改，采用APDL的方式，針對(duì)某塔式起重機(jī)建立了有限元模型，并對(duì)建模的方法、技巧及注意的問題進(jìn)行了討論。利用ANSYS建立塔機(jī)有限元程序，將程序相關(guān)幾何尺寸參數(shù)化后可用做塔機(jī)的初步設(shè)計(jì)和產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)以及檢測(cè)前的模擬實(shí)驗(yàn)，是下一步靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能分析的基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】：塔式起重機(jī)；有限單元法；ANSYS

一、引言

塔機(jī)，即“塔式起重機(jī)”簡(jiǎn)稱，又稱“塔吊”，是廣泛應(yīng)用于建筑施工中的一種關(guān)鍵起重設(shè)備，是施工企業(yè)裝備水平的標(biāo)志性裝備之一，在工作中經(jīng)常起動(dòng)、制動(dòng)，主要用于建筑施工中建筑材料的垂直和水平運(yùn)輸以及預(yù)制結(jié)構(gòu)的安裝，作業(yè)空間大。

傳統(tǒng)的對(duì)塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)分析，一般是按照材料力學(xué)的方法，利用許用應(yīng)力，對(duì)參照國(guó)外塔機(jī)而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，按照《塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所設(shè)計(jì)的塔式起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等校核。這樣設(shè)計(jì)的塔式起重機(jī)，它的設(shè)計(jì)計(jì)算過程復(fù)雜、周期長(zhǎng)。由于類比法對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的要求較高，誤差較大，這樣就導(dǎo)致設(shè)計(jì)出來的塔式起重機(jī)的各個(gè)部件的重量都比較偏大，限制了塔式起重機(jī)的效率，塔式起重機(jī)的各個(gè)桿件的應(yīng)力分布和構(gòu)造尺寸也偏大，造成了材料的極大浪費(fèi)。同時(shí)這種采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法來改進(jìn)初始設(shè)計(jì)方案則需要多次修改塔機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行重復(fù)計(jì)算，工作量將非常巨大。

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，在現(xiàn)今針對(duì)塔式起重機(jī)的研究中，有限元法是被廣泛采用的一種方法。利用有限元法對(duì)塔機(jī)進(jìn)行的研究日趨成熟。已有的研究有陳曉峰[1]的基于Ansys及APDL的塔式起重機(jī)有限元分析系統(tǒng)，以及王仿[2]等對(duì)塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的有限元分析等，這些分析計(jì)算的前提是建立準(zhǔn)確的有限元模型。

二、ANSYS參數(shù)化語言APDL

ANSYS軟件提供了兩種工作模式：人機(jī)交互方式（GUI方式）和命令流輸入方式（Batch） 。APDL是一種用來完成有限元常規(guī)分析操作，或通過參數(shù)化變量方式建立分析模型的腳本語言。它用智能化分析的手段，為用戶提供了自動(dòng)化完成有限元分析過程的功能，及程序的輸入可根據(jù)指定的函數(shù)、變量及選用的分析類型來確定，是完成優(yōu)化設(shè)計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格的最主要基礎(chǔ)，也為日常分析提供了便利[3]。

在用GUI方式建立模型分析后再修改重分析時(shí)，必須改變模型的幾何結(jié)構(gòu)或載荷等并重復(fù)上述步驟。當(dāng)模型較復(fù)雜或修改較多時(shí)，這個(gè)過程繁瑣復(fù)雜 ，而且往往會(huì)生成大且多的數(shù)據(jù)文件。而利用APDL，則可以直接修改文本文檔來完成多次任意分析，減少了有限元分析的工作量，縮短了計(jì)算周期，提高了設(shè)計(jì)效率[4]。

三、塔式起重機(jī)的有限元模型

（一）模型的建立

建立正確而可靠的塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型是一項(xiàng)非常重要而且繁雜的工作，它不僅關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確與否，而且直接影響著以后的各項(xiàng)工作，實(shí)際塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，除了大量的梁桿結(jié)構(gòu)之外，還有板殼結(jié)構(gòu)、桿結(jié)構(gòu)等，支承邊界條件形式多種多樣，載荷種類和組合也較多，因此分析一臺(tái)實(shí)際塔式起重機(jī)必須對(duì)其進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。

1、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化

由于回轉(zhuǎn)支承機(jī)構(gòu)等實(shí)體部件相對(duì)塔機(jī)整體而言幾何尺寸較小、剛度大、質(zhì)量集中，對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)，可以將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實(shí)體部件采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行等效，使塔機(jī)的整體分析中只包含梁?jiǎn)卧?，減少塔機(jī)整體分析中的單元種類，避免了具有不同節(jié)點(diǎn)自由度的梁?jiǎn)卧桶鍤卧倪B接問題，方便進(jìn)行處理[5]。

2、塔機(jī)附件簡(jiǎn)化

塔機(jī)附件（如電機(jī)等）由于相對(duì)塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)而言幾何尺寸小、質(zhì)量集中，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，將附件等實(shí)體部件采用等效處理。

3、對(duì)于塔頂、塔臂、塔身和平衡臂的連接處結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此在整體結(jié)構(gòu)分析中，這幾部分的連接接將節(jié)點(diǎn)直接布置在一起[6]。

（二）單元類型的選擇

1、梁?jiǎn)卧?/p>

ANSYS提供了多種梁?jiǎn)卧?，塔機(jī)是一種空間結(jié)構(gòu)， 塔機(jī)所有弦桿采用三維梁?jiǎn)卧M。ANSYS軟件提供的常用彈性三維梁?jiǎn)卧蠦EAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189，它們都有各自的特點(diǎn)，能滿足不同的分析要求。塔機(jī)結(jié)構(gòu)中有許多較短的桿件，如塔身接頭、吊臂接頭等都屬于深梁，用普通梁?jiǎn)卧?huì)帶來較大的誤差，所以塔機(jī)分析應(yīng)使用BEAM188單元（線性梁?jiǎn)卧┖虰EAM189單元（二次梁?jiǎn)卧?，通常采用BEAM188單元即可。BEAM188考慮了剪切變形的影響，還支持截面定義功能，因此，塔機(jī)分析中使用BEAM188單元即可滿足塔機(jī)分析所要求的功能，并得到滿意的結(jié)果[5]。

2）桿單元

LINK8單元是有著廣泛的工程應(yīng)用的桿單元，比如可以用來模擬：析架、纜索、連桿、彈簧等等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓?jiǎn)卧?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)自由度：沿節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系X、Y、Z方向的平動(dòng)。就像在鉸接結(jié)構(gòu)中的表現(xiàn)一樣，本單元不承受彎矩，對(duì)于平衡臂與起重臂處的鋼索采用此單元。

3）MASS21

MASS21是ANSYS提供的三維質(zhì)量點(diǎn)單元，具有六個(gè)自由度，即X，Y和Z方向的移動(dòng)和繞X，Y和Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)方向可以具有不同的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。質(zhì)量單元在靜態(tài)解中無任何效應(yīng)，在計(jì)算中加入重力加速度才具有慣性載荷。平衡重、回轉(zhuǎn)架臺(tái)等附加集中質(zhì)量可以用質(zhì)量單元模擬。

（三）有限元模型的建立

在ANSYS中有兩種方法來建立有限元幾何模型，即直接生成法和實(shí)體建模法。模型采用直接生成法，即先建立節(jié)點(diǎn)，再連接節(jié)點(diǎn)生成單元。在建模時(shí)采用APDL和GUI方式相結(jié)合的方法，用命令流編程，可以便于修改模型，從而節(jié)省時(shí)間。

將塔身、起重臂、平衡臂，過度節(jié)的每個(gè)結(jié)構(gòu)件連接點(diǎn)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。塔身一般有許多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何尺寸和截面類型，所以塔身的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)只需要定義一次，以后的各節(jié)塔身可以通過平移節(jié)點(diǎn)編號(hào)后得到。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間通過通過短梁?jiǎn)卧B接。

四、總結(jié)

利用有限元軟件ANSYS和APDL，建立了塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元模型，今后可以在此模型的基礎(chǔ)上對(duì)塔機(jī)進(jìn)一步進(jìn)行靜態(tài)性能的分析和動(dòng)態(tài)分析，包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析兩方面的動(dòng)態(tài)性能分析等，以保證塔機(jī)的安全性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳曉峰. 基于Ansys及APDL的塔式起重機(jī)有限元分析系統(tǒng)[D]. 東北大學(xué)， 2005.

[2] 王仿， 高頂.塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的有限元分析[J]. 煤礦機(jī)械， 2009， 30 （2）： 96-97.

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

[4] 陸旭， 周見行， 姜偉. 基于APDL的塔式起重機(jī)有限元參數(shù)化建模與分析[J]. 機(jī)電工程， 2009， 26 （7）： 34-36.

[5] 王勝春， 宋世軍， 靳同紅， 王積永. 塔式起重機(jī)的振動(dòng)模態(tài)分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2010， 29 （7）： 912-914.

[6] 刑靜忠， 王永剛， 陳曉霞. ANSYS 7.0 分析實(shí)例與工程應(yīng)用[M]. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.