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        基于Midas civil的QTZ80塔式起重機(jī)有限元分析

        2021-08-06 08:24:30楊榕呂玉超
        中國(guó)公路 2021年11期
        關(guān)鍵詞:重臂塔式起重塔身

        楊榕 呂玉超

        (中建路橋集團(tuán)有限公司,四川 成都 050001)

        塔式起重機(jī)一般由三部分組成:金屬結(jié)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)。金屬結(jié)構(gòu)部分又由塔身、塔頂、起重臂梁、平衡臂架、回轉(zhuǎn)支撐架和臺(tái)架等主要部件組成。塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)首先必須滿足強(qiáng)度要求,靜強(qiáng)度計(jì)算是最基本的計(jì)算。

        西南科技大學(xué)金玉萍運(yùn)用有限元軟件ANSYS的APDL語(yǔ)言建立了QTZ63塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元模型,討論了塔式起重機(jī)邊界條件簡(jiǎn)化、載荷的確定和計(jì)算;大慶石化公司楊純秋結(jié)合某QTZ25塔式起重機(jī)的工程實(shí)例,運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS建立了塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的有限元模型,并分析了靜力,獲得了結(jié)構(gòu)在3種常用工況下的應(yīng)力和變形情況;廣西科技大學(xué)歐迪聲通過(guò)ANSYS對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行建模與應(yīng)力和剛度分析,找出了塔式起重機(jī)危險(xiǎn)工況下最大應(yīng)力點(diǎn)的位置,驗(yàn)證了塔式起重機(jī)的靜剛度滿足安全要求;吉林建筑大學(xué)李廣博以QTZ25型塔式起重機(jī)為例,利用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析,并根據(jù)相關(guān)規(guī)范檢驗(yàn)了塔式起重機(jī)的剛度、計(jì)算了結(jié)構(gòu)前三階模態(tài)的振型、頻率等;重慶文理學(xué)院安超利用ANSYS軟件建立了QTZ315塔式起重機(jī)的有限元模型,對(duì)其靜力分析,得出了在最大幅度額定起重量下的變形和應(yīng)力分布情況,并指出了最大應(yīng)力及其分布位置等。

        一、模型建立

        塔式起重機(jī)的主要性能參數(shù),如表1所示。

        表1 塔式起重機(jī)主要性能參數(shù)

        表1 塔式起重機(jī)主要性能參數(shù)

        在Midas civil軟件中根據(jù)塔式起重機(jī)各桿件的尺寸和形狀,建立有限元模型,塔身腹桿材料選用Q235鋼,主弦桿材料選用Q345鋼,拉索選用鋼絞線,配重塊采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬,模型共有719個(gè)節(jié)點(diǎn),2006個(gè)單元,如圖1所示。

        圖1 塔式起重機(jī)有限元模型

        二、塔式起重機(jī)模態(tài)分析

        模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種近代方法,可以通過(guò)數(shù)值模擬得到模態(tài)的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型等參數(shù),模態(tài)分析的基本運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示。

        由式(1)可知,結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性與阻尼的關(guān)聯(lián)性很小,考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無(wú)阻尼自由振動(dòng),其運(yùn)動(dòng)方程如式(2)所示。

        求解式(3)就可以得到結(jié)構(gòu)的振型周期和固有頻率。

        在Midas civil軟件中計(jì)算塔式起重機(jī)的振型,分析類(lèi)型有3種,如圖2所示。

        圖2 塔式起重機(jī)振型分析

        本文選取的是Lanczos算法,由于多自由度振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)特性主要取決于低頻率振動(dòng),所以可通過(guò)提取低階固有頻率和振型分析塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。故本文提取塔式起重機(jī)前六階振型進(jìn)行觀察,如圖3和表2所示。

        表2 控制指標(biāo)及規(guī)范限值

        表2 控制指標(biāo)及規(guī)范限值

        圖3 塔式起重機(jī)前六階固有頻率振型圖

        三、計(jì)算工況

        為了驗(yàn)證塔式起重機(jī)的剛度穩(wěn)定性,選取3種工況分析靜力。

        空載工況下,非工作狀態(tài),塔式起重機(jī)所受荷載,僅有塔式起重機(jī)自重;

        最小幅度滿載工況下,起重臂距離回轉(zhuǎn)中心10m處最大吊重8t,塔式起重機(jī)自重+8t載重,如圖4所示(F表示載重,q表示起重臂自重);

        圖4 最小幅度滿載示意圖

        最大幅度滿載工況下,起重臂距離回轉(zhuǎn)中心55m處最大吊重1t,塔式起重機(jī)自重+1t載重,如圖5所示。

        圖5 最大幅度滿載示意圖

        四、靜力分析

        (一)空載工況

        根據(jù)相關(guān)規(guī)范,塔式起重機(jī)在額定載荷作用下,塔式起重機(jī)的靜位移與塔身自由高度H的關(guān)系推薦如式(4)所示。

        由式(4),當(dāng)塔身自由高度為50m時(shí),最大許用水平靜位移=0.75m

        1.計(jì)算模型

        在Midas軟件中建立塔式起重機(jī)模型,并設(shè)置邊界,可附著裝置及塔式起重機(jī)底部與基礎(chǔ)接觸的節(jié)點(diǎn),約束x、y、z方向線位移為Rx、Ry和Rz,塔式起重機(jī)邊界設(shè)置如圖6所示。

        圖6 塔式起重機(jī)邊界設(shè)置圖

        2.計(jì)算結(jié)果

        分析空載工況下塔式起重機(jī)的受力,塔式起重機(jī)軸力最大值為242kN,位于起重臂架拉桿吊點(diǎn)處第1926號(hào)單元,如圖7所示。塔式起重機(jī)整體的彎矩變化不大,最大值為65.7kN·m,位于平衡臂與配重塊連接處第1680號(hào)單元,如圖8所示。

        圖7 塔式起重機(jī)整體軸力圖(單位:kN)

        圖8 塔式起重機(jī)整體彎矩圖(單位:kN·m)

        塔式起重機(jī)最大拉應(yīng)力值為125.9MPa,位于61m的附著裝置處第908號(hào)單元,最大壓應(yīng)力值為167.1MPa,出現(xiàn)在塔身與塔頂?shù)倪B接處第1691號(hào)單元,如圖9所示。這些桿件采用的材料為Q345鋼許用應(yīng)力值為276MPa,最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值,故滿足使用要求。

        圖9 塔式起重機(jī)應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        拉索為桁架單元,它的最大拉應(yīng)力值為120MPa,位于1964號(hào)單元,如圖10所示,最大拉應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值,故滿足使用要求。

        圖10 拉索應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        塔式起重機(jī)整體位移圖如圖11所示,空載工況下塔身的位移變化不大,位移值最大為168.6mm,位于起重臂端部第529號(hào)節(jié)點(diǎn),如圖12所示??蛰d工況下起重臂的最大位移值小于最大許用水平位移0.75m,故滿足使用要求。

        圖11 塔式起重機(jī)整體位移圖(單位:mm)

        圖12 起重臂位移圖(單位:mm)

        (二)最小幅度滿載工況

        1.計(jì)算模型

        最小幅度滿載工況下,在起重臂處距離回轉(zhuǎn)中心10m的節(jié)點(diǎn)位置,添加豎直方向向下的8t荷載,塔式起重機(jī)載荷施加如圖13所示。

        圖13 計(jì)算模型圖

        2.計(jì)算結(jié)果

        設(shè)置邊界條件并施加荷載后,分析塔式起重機(jī)的受力,塔式起重機(jī)軸力最大值為234.5kN,位于起重臂架拉桿吊點(diǎn)處第2006號(hào)單元,如圖14所示。塔式起重機(jī)整體的彎矩變化不大,最大值為65.2kN·m,位于平衡臂與配重塊相連的第1531號(hào)單元,如圖15所示。

        圖14 塔式起重機(jī)整體軸力圖(單位:kN)

        圖15 塔式起重機(jī)整體彎矩圖(單位:kN·m)

        塔式起重機(jī)最大拉應(yīng)力值為147.7MPa,位于61m處的附著裝置908號(hào)單元,最大壓應(yīng)力值為168.5MPa,位于起重臂起始端的1523號(hào)單元,如圖16所示。最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值276MPa,故滿足使用要求。

        圖16 塔式起重機(jī)應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        拉索的最大拉應(yīng)力值為128.4MPa,位于起重臂處的1978號(hào)單元,如圖17所示,拉索的最大拉應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值,故滿足使用要求。

        圖17 拉索應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        塔式起重機(jī)整體位移圖如圖18所示,塔身的位移變化不大,位移值最大為321.2mm,位于起重臂端部第529號(hào)節(jié)點(diǎn),如圖19所示。最小幅度滿載工況下起重臂的最大位移值小于最大許用水平位移值0.75m,故滿足使用要求。

        圖18 塔式起重機(jī)整體位移圖(單位:mm)

        圖19 起重臂位移圖(單位:mm)

        (三)最大幅度滿載工況

        1.計(jì)算模型

        最大幅度滿載工況下,在起重臂處距離回轉(zhuǎn)中心55m的端部節(jié)點(diǎn)位置,添加豎直方向向下的1t荷載,計(jì)算模型如圖20所示。

        圖20 計(jì)算模型圖

        2.計(jì)算結(jié)果

        設(shè)置邊界條件并施加荷載后,分析塔式起重機(jī)的受力,塔式起重機(jī)最大軸力為281.1kN,位于起重臂與拉索相連的拉桿1907號(hào)單元,如圖21所示,塔式起重機(jī)整體的彎矩變化不大,最大值為50kN·m,位于61m處的附著設(shè)置處如圖22所示。

        圖21 塔式起重機(jī)整體軸力圖(單位:kN)

        圖22 塔式起重機(jī)整體彎矩圖(單位:kN·m)

        與拉索連接處的第1691 號(hào)單元,最大壓應(yīng)力值為147.9MPa,位于起重臂起始端部第908號(hào)單元如圖23所示,最大應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值276MPa,故滿足使用要求。

        圖23 塔式起重機(jī)應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        圖24 拉索應(yīng)力云圖(單位:MPa)

        拉索的最大拉應(yīng)力值為156.2MPa如圖24所示,拉索的最大拉應(yīng)力值小于許用應(yīng)力值,故滿足使用要求。

        塔式起重機(jī)整體位移圖,如圖25所示,塔身的位移變化不大,位移最大值為569.6mm,位于起重臂端部第529號(hào)節(jié)點(diǎn),如圖26所示。最大幅度滿載工況下起重臂的最大位移值小于最大許用水平位移0.75m,故滿足使用要求。

        圖25 塔式起重機(jī)整體位移圖(單位:mm)

        圖26 起重臂位移圖(單位:mm)

        五、結(jié)語(yǔ)

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,可將3種工況的最大拉應(yīng)力值、最大壓應(yīng)力值,以及最大位移值對(duì)比分析,如表3所示。

        表3 3種工況最大應(yīng)力、位移值

        表3 3種工況最大應(yīng)力、位移值

        由表3可知,3種計(jì)算工況中,位移值最大為569.6mm是最大幅度滿載工況下的最大位移;位移值最小為276.3mm是空載工況下的最大位移,故塔式起重機(jī)隨著工作幅度半徑的增加,最大位移值也隨之增大。

        3種計(jì)算工況中,最大壓應(yīng)力值為168.5MPa和最大拉應(yīng)力值為147.7MPa都是最小幅度滿載工況下的應(yīng)力值,其中最大拉應(yīng)力集中在起重臂與拉索的連接處,最大壓應(yīng)力集中在塔身與起重臂連接處,所以在安裝塔式起重機(jī)時(shí)需要對(duì)這兩個(gè)部位的構(gòu)件進(jìn)行加固,或者選用許用應(yīng)力大的鋼材,比如Q345鋼。

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