王宏臣

（淮安信息職業(yè)技術(shù)學院，江蘇淮安223003）

1 有限元模型建立

對塔式起重機模型進行有限元網(wǎng)格劃分（圖1），對不同部分賦予不同材料，如塔身部分為鋼鐵材質(zhì)，配重和底座為混凝土材質(zhì)，相關(guān)材質(zhì)的屬性如表1所示。

圖1 塔式起重機有限元模型

表1 不同材質(zhì)屬性表

2 有限元分析

2.1 溫度場分布

在一些特殊工作環(huán)境下，比如沙漠，地表溫度一般很高，能達到70～80℃，塔吊的底部會達到很高溫度，而塔吊頂處在空氣中，溫度一般不高。對于這種特殊工況下的塔吊分析，目前還沒有看到相關(guān)文獻，有必要對此進行相關(guān)研究。

將塔吊起重臂以上的部分初始溫度設(shè)置為20℃，塔基的初始溫度設(shè)置為50℃，施加載荷，將分析設(shè)置為穩(wěn)態(tài)傳熱分析，最終溫度場分布如圖2所示，可看出整個溫度分布呈現(xiàn)線性梯度。

2.2 溫度場對應(yīng)力的影響

溫度場產(chǎn)生的應(yīng)力場如圖3所示，最大應(yīng)力為109.1 MPa，主要受力部位是塔吊吊身和塔基連接處。

2.3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種方法，一般應(yīng)用在工程振動領(lǐng)域。其中，模態(tài)是指機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)都有特定的固有頻率和模態(tài)振型。

圖2 溫度場分布

圖3 溫度產(chǎn)生的應(yīng)力

分析50階模態(tài)，主要振型為塔吊懸臂的整體位移、塔吊配重的振動、懸臂繩的振動、懸臂繩和懸臂柱的振動。不加溫度場50階模態(tài)的前5階頻率值如表2所示。將上面分析的溫度場導(dǎo)入到模態(tài)分析模塊中，分析其對模態(tài)的影響，得到前5階模態(tài)頻率值如表2所示。由表2對比可知，溫度影響下的模態(tài)頻率值會比正常情況下的頻率值低，其主要原因是高溫導(dǎo)致了材料彈性模量減小，模型的剛度減小，故其頻率值降低。后45階對比結(jié)論相同。

表2 模態(tài)頻率值

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由以上分析發(fā)現(xiàn)，塔吊的薄弱環(huán)節(jié)在四個支撐腳處，故需對其進行優(yōu)化處理，在此主要有兩種優(yōu)化方式：（1）尺寸加大；（2）方管換成圓管，并進行尺寸加大。

首先分析第一種優(yōu)化方法，優(yōu)化處尺寸及三維模型如圖4所示，其中拉伸高度為0.1 m。

圖4 優(yōu)化方法（1）尺寸及三維模型

再選擇第二種優(yōu)化方法，其尺寸及三維模型如圖5所示，拉伸高度也是0.1 m。

圖5 優(yōu)化方法（2）尺寸及三維模型

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，對耦合工況進行分析，具體結(jié)果如圖6所示。

圖6 自重+吊重+溫度

由圖可知，最大應(yīng)力為348.5 MPa，分析結(jié)果顯示：相同工況下，優(yōu)化后最大應(yīng)力值比優(yōu)化前的值都小，且四個支撐腳處已經(jīng)沒有出現(xiàn)最大值，所以優(yōu)化是合理的。