張洪國

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

0 引言

塔機(jī)在施工過場中承載了絕大部分物料的垂直舉升工作，作為建筑行業(yè)不可缺少的一環(huán)，塔機(jī)同樣迎來了高速發(fā)展，隨著塔機(jī)裝機(jī)量的急速上升，建設(shè)工程對于塔機(jī)的結(jié)構(gòu)輕便性、安全性、安裝拆卸的方便性、操作的方便性和舒適性以及產(chǎn)品的價(jià)格等問題有著較高的要求，尤其是塔機(jī)的安全性及舒適性直接影響著建筑施工的效率及速度，亟待解決[1-3]。

本文通過ANSYS軟件建立塔機(jī)的模擬樣機(jī)[4-5]，在該軟件中進(jìn)行塔機(jī)的動態(tài)性能分析。對在工作狀態(tài)的塔機(jī)部分的振動情況提供了一種研究方法。依據(jù)對觀察振動的影響，對于選擇塔機(jī)工作機(jī)構(gòu)的安裝位置有重要意義，通過對振動的分析找出振幅較小的位置，以滿足塔機(jī)對司機(jī)室位置振幅小、舒適性高的基本要求。

1 ANSYS整機(jī)建模

使用ANSYS軟件建模，因塔機(jī)結(jié)構(gòu)多為桿類零件，且多受拉力機(jī)壓力，所以在建模過程中將它們定義為“Beam”單元類型。在本次 ANSYS建模過程中采用Beam188，塔身采用型鋼焊接而成，將設(shè)定的各物理參數(shù)加載于有限元模型，然后根據(jù)不同型材定義截面即可[6]。

1）塔式起重機(jī)各部分構(gòu)件截面幾何參數(shù)。本文研究模型各機(jī)構(gòu)所用鋼材結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 塔式起重機(jī)各部分構(gòu)件截面幾何參數(shù)

以表1中參數(shù)為依據(jù)，對塔機(jī)進(jìn)行各主要結(jié)構(gòu)的建模，并對塔機(jī)各主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)驗(yàn)證，而后將各個(gè)結(jié)構(gòu)裝配為整體塔機(jī)，對其進(jìn)行最終驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過，則對該模型進(jìn)行模態(tài)及動力學(xué)仿真，進(jìn)而指導(dǎo)塔機(jī)設(shè)計(jì)。

2）ANSYS中塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模。該塔身有14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高2.2m，長寬各1.5m。組成14個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的型材及結(jié)構(gòu)均是一致的。所以在建塔身時(shí)只要建好1節(jié)，其他13節(jié)只要復(fù)制就可以了。建成的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型如圖1所示。

圖1 QTZ40塔機(jī)單一標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型

在copy elements命令下輸入相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度即可，此時(shí)需要注意的是，建模過程中下方標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與上方標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的建模節(jié)點(diǎn)重合，需對重合節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一排序，以避免仿真計(jì)算報(bào)錯(cuò)。最終生成的塔身模型如圖2所示。

3）ANSYS中上下回轉(zhuǎn)臺及回轉(zhuǎn)塔身建模。在該部分建模過程中由于上下回轉(zhuǎn)臺的剛度大，ANSYS模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡化。模型如圖3所示。

圖2 塔身模型

圖3 上下回轉(zhuǎn)臺及回轉(zhuǎn)塔身建模

4）ANSYS中塔冒的建模。塔冒是平衡起重臂與平衡臂的重要裝置，對塔機(jī)的塔冒在ANSYS中進(jìn)行模型建立，其模型如圖4所示。

圖4 塔冒的模型

5）ANSYS中起重臂的建模。起重臂是塔機(jī)吊裝重物的關(guān)鍵部分，其截面形狀為三角形，起重臂的下弦桿及拉桿為實(shí)心棒材，在建模過程中將其設(shè)定為桿單元，以便模型與設(shè)備盡可能貼近，起重臂的上弦桿及腹桿在塔機(jī)制作過程中多為空心鋼管，在建模過程中采用管單元，以便更充分表達(dá)實(shí)際模型。

塔機(jī)的起重臂自根部向外延伸的方向，其截面三角形的面積是漸漸變小的，為真實(shí)反映該結(jié)構(gòu)，在建模過程中應(yīng)建立各界面漸變模型，此工作量較大，但該結(jié)構(gòu)對起重臂受力分析結(jié)果影響較大，不能簡化模型。

根據(jù)上述分析可知，在起重臂建模過程中應(yīng)充分考慮起重臂實(shí)際尺寸及各部件的截面形狀，使模型盡可能準(zhǔn)確無誤，此外，需要注意起重臂附件及吊裝設(shè)備是隨塔機(jī)工作過程中重物工作位置的需要沿起重臂方向運(yùn)動，靜態(tài)建模中很難將該部分動態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確建模，可將該部分結(jié)構(gòu)按照起吊裝置實(shí)際位置添加載荷，以載荷的形式予以補(bǔ)充，此方法只對載荷施加位置處下弦桿產(chǎn)生仿真誤差，對整機(jī)仿真影響極小。

按以上原則方法，建立起重臂模型如圖5所示。

6）ANSYS中平衡臂建模。平衡臂是塔機(jī)吊裝重物保持平衡的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，平衡臂末端安裝有配重，以平衡塔機(jī)起重臂的工作力矩，其建模結(jié)果圖6所示。

圖5 起重臂模型

圖6 平衡臂模型

7）ANSYS中各部分裝配過程。單擊preprocessor→Coupling/Ceqn→Couple DOFs→如圖示，選擇需要couple的兩個(gè)點(diǎn)→單擊ok→如圖示，標(biāo)上couple序號（一定要排好序號），選擇約束方向→couple完成。

用couple命令將已經(jīng)完成建模的塔身、塔帽、平衡臂、起重臂裝配為整體塔機(jī)，添加拉桿，完成塔機(jī)整機(jī)模型的建模。如圖7所示。

圖7 塔機(jī)在ANSYS中的整機(jī)模型

2 ANSYS模型仿真應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力比較

為了驗(yàn)證該ANSYS整機(jī)模型的是否與實(shí)際設(shè)備相符，根據(jù)塔機(jī)實(shí)際檢測的需要，將塔機(jī)對應(yīng)位置安裝應(yīng)變片，測量塔機(jī)在9種工況的16個(gè)檢測點(diǎn)的應(yīng)力值，并將整機(jī)模型按照實(shí)際的9種工況進(jìn)行整機(jī)力學(xué)仿真，將對應(yīng)工況下的對應(yīng)檢測節(jié)點(diǎn)處的仿真應(yīng)力值導(dǎo)出，與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對，以驗(yàn)證塔機(jī)整體模型的準(zhǔn)確性。本文選取1個(gè)工況的16個(gè)檢測點(diǎn)予以展示，其結(jié)果如圖8所示。

圖8 ANSYS模型仿真應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力比較

3 結(jié)束語

在ANSYS中計(jì)算測得的理論結(jié)果與實(shí)際測量的結(jié)果絕大多數(shù)的差值在一定的范圍內(nèi)變化，因?yàn)閷?shí)測結(jié)果也有一定的誤差，所以在ANSYS中出現(xiàn)的誤差是可以接受的。可以認(rèn)為ANSYS模型是正確的，以此模型做基礎(chǔ)，對模型塔機(jī)進(jìn)行分析，可以快捷方便實(shí)現(xiàn)各種工況下、各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的應(yīng)力值、應(yīng)變量的求解，簡化了實(shí)驗(yàn)難度。