基于ANSYS的塔式起重機整機結構有限元分析

林慶文

（廣東水利電力職業技術學院，廣東廣州 510635）

0 引言

塔式起重機（以下簡稱塔機）是建筑施工中的主要施工工具，就結構形式而言，可以分為動臂變幅式和水平臂小車變幅式。其中水平臂小車變幅式塔機又可分為帶塔頭塔機和平頭塔機。塔機的強度和剛度決定著塔機工作的可靠性和安全性，因此，結構應力分析是塔機設計開發中的一項極其重要的工作。本文運用ANSYS有限元分析軟件，對某公司JT6024塔機三種典型工況進行了分析，給出了不同工況下的應力及位移結果，對該型號塔機的設計生產提出改進意見。

1 塔機結構有限元模型的建立

JT6024塔機的金屬結構主要包括塔身、塔頂、起重臂架、平衡臂、起重臂拉桿、平衡臂拉桿、變幅小車、吊鉤以及上下回轉支承等組成。根據GB/13752-92《塔式起重機設計規范》[1]，計算時一般不考慮塑性影響，因此，本分析只考慮彈性情況，并對模型進行必要的簡化。

具體處理如下：（1）回轉支承及上、下支承座等實體部件的剛度較大，在本分析中采用較大截面的梁單元進行簡化，并將其自重加載在相應節點上；（2）配重塊自重平均加載在其所在位置的節點上；（3）塔身套架總成自重疊加到與其相連的塔身相應節點上。

1.1 單元的選擇

本分析中除起重臂拉桿和平衡臂拉桿采用LINK8連桿單元外，其他均選用BEAM188單元[2]。

LINK8是一種能應用于多種工程實際的桿單元。單元能被應用于桁架，垂纜，桿件，彈簧。這個三維的桿單元只能承受單軸的拉壓，單元每個節點上有三個自由度：x、y和z方向的位移。

BEAM188單元是2節點線性、二次或三次3D梁單元，適合于分析從細長到中等粗短的梁結構。BEAM188單元以Timoshenko梁理論為基礎，并考慮了剪切變形的影響。BEAM188單元的每個節點具有6或7個自由度，這取決于參數KEYOPT(1)的值。當KEYOPT(1)=0（缺省）時，每個節點具有6個自由度。即x、y、z方向的三個位移自由度和繞x、y、z軸的三個轉動自由度。當KEYOPT(1)=1時，BEAM188單元引入第7個自由度（橫截面的翹曲）。這個單元非常適應線性、大角度轉動以及大應變等非線性問題。BEAM188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread定義橫截面，這對于塔機實際設計中通過局部焊接加強板來提高塔機強度的分析是非常方便的。

1.2 有限元模型

1.2.1 整機主要參數

本分析塔機主要參數如下：

最大獨立高度： 59.7 m；

起重臂最長： 60 m；

最大額定起重量：10 t；

端部吊載： 2.4 t；

最大起升速度：2 m/s（雙繩），1.33 m/s（三繩），1 m/s（四繩）；

回轉速度：0.75 r/m，回轉制動時間16 s。塔機整機有限元模型見圖1。

圖1 塔機整機有限元模型

1.2.2 選用材料

塔機的塔身主弦、起重臂上下弦、塔頭主弦、拉桿等采用Q345B，平衡臂采用Q235B，所有腹桿材料選用Q235B或20號鋼。

1.2.3 約束

本分析以固定式塔機作為算例，塔身最下端以固接支座進行約束。起重臂根部與塔機回轉節的連接以固定鉸支約束，平衡臂根部與塔機回轉節的連接也以固定鉸支進行簡化。平衡臂的兩根拉桿與平衡臂及塔頂的連接、起重臂臂的兩根拉桿與平衡臂及塔頂的連接均為固定鉸支約束。

1.2.4 載荷及工況

作用在塔機上的載荷可分為四類：即基本載荷、附加載荷、特殊載荷和其他載荷。基本載荷是正常工作時始終或經常作用在塔機上的載荷，包括自重載荷、起升載荷、各種動載荷和離心力。附加載荷是正常工作時不經常作用在塔機上的載荷，即工作狀態下的風載荷、溫度載荷。特殊載荷是偶然作用在塔機上的載荷，包括非工作狀態下的風載荷、試驗載荷等。

本分析主要依據GB/13752-92的有關規定進行，風載荷以手動方式計算，平均按最不利方向施加在節點上。計算所用三種典型工況如下：

工況一：臂架組合60 m，端部吊載2.4 t；

工況二：臂架組合60 m，最大幅度16.6 m處最大吊重10 t；

工況三：非工作狀態，風壓1 100 Pa。

2 計算結果

ANSYS可以顯示軸向應力、最大（最小）主應力、Von Mises等效應力等云圖，也可以通過單元表的形式輸出軸向應力、彎曲應力等結果。

2.1 工況一

2.1.1 應力結果

（1）軸向應力、最大（或最小）主應力、Von Mises等效應力

1）軸向應力

圖2 工況一軸向應力

軸向應力的云圖見圖2。軸向應力最大拉應力227.489 MPa，位于起重臂上弦靠近起重臂長拉桿處。軸向應力最大壓應力-250.276 MPa（負值表示壓應力），位于與起重臂短拉桿連接的起重臂節的下弦處。起重臂長拉桿軸向應力227.0 MPa，短拉桿軸向應力49.45 MPa，平衡臂兩根拉桿軸向應力171.64 MPa和176.14 MPa。

2）最大（或最小）主應力

最大主應力的最大值240.76 MPa，位于與起重臂長拉桿連接的起重臂節的下弦處。最小主應力最大值-265.432 MPa（負號表示壓應力），位于與起重臂短拉桿連接的起重臂節的下弦處。最小主應力云圖見圖3。

圖3 工況一最小主應力

3）Von Mises等效應力

Von Mises等效應力云圖見圖4，其最大值為265.432 MPa，位于與起重臂短拉桿連接的起重臂節的下弦處。

圖4 工況一Von Mises等效應力

2.1.2 位移結果

1）X方向（臂架方向）位移

最大位移732.255 mm，在塔尖處。起重臂臂端X方向位移為556.14 mm。

2）Y方向（垂直于臂架方向）位移

最大位移4 593.17 mm，在起重臂臂端處。

3）Z方向（豎直方向）位移

最大位移量-2 557.1 mm，在起重臂臂端處。

4）總位移

總位移云圖見圖5。起重臂臂端（節點606）的位移總量為5 286.3（556.14，4 593.2，-2 557.1）mm。起重臂與塔身連接處的位移總量為763.08（606.69，462.64，-13.360）mm，其水平位移為763 mm。

圖5 工況一總位移

2.2 工況二

2.2.1 應力結果

（1）軸向應力、最大（最小）主應力、Von Mises等效應力

1）軸向應力

軸向應力的云圖見圖6。軸向應力最大拉應力122.475 MPa，位于起重臂上弦靠近起重臂長拉桿處。軸向應力最大壓應力-246.723 MPa（負值表示壓應力），位于與起重臂短拉桿連接的起重臂節的下弦處。起重臂長拉桿軸向應力97.27 MPa，短拉桿軸向應力201.85 MPa，平衡臂兩根拉桿軸向應力171.78 MPa和176.0 MPa。

2）最大（或最小）主應力

最大主應力最大值152.099 MPa，位于平衡臂拉桿連接處附近。最小主應力-269.057 MPa，位于與起重臂短拉桿連接的起重臂節的下弦處。最小主應力云圖見圖7。

圖6 工況二軸向應力

圖7 工況二最小主應力

3）Von Mises等效應力

Von Mises等效應力云圖見圖8，其最大值為269.059 MPa，位于與起重臂短拉桿連接的起重臂節的下弦處。

圖8 工況二Von Mises等效應力

2.2.2 位移結果

（1）X方向（臂架方向）位移

最大位移692.726 mm，在塔尖處。起重臂臂端X方向位移為548.71 mm。

（2）Y方向（垂直于臂架方向）位移

最大位移4 494.97 mm，在起重臂臂端處。

（3）Z方向（豎直方向）位移

最大位移量-1 797.04 mm，在起重臂臂端處。

（4）總位移

總位移云圖見圖9。起重臂臂端（節點606）的位移總量為4 871.3 mm。起重臂與塔身連接處的 位 移 總 量 為 803.22 （574.27，561.45，-12.271）mm，其水平位移為803 mm。

圖9 工況二總位移

2.3 工況三

2.3.1 應力結果

（1）軸向應力、最大（最小）主應力、Von Mises等效應力

最大軸向壓應力-240.94 MPa，最大軸向拉應力184.08 MPa，最大主應力200.22 MPa，最小主應力-256.534 MPa，Von Mises等效應力256.534 MPa，均位于第一標準節主弦處。Von Mises應力云圖見圖10。

2.3.2 位移結果

塔機總位移云圖見圖11，臂端最大總位移1 577.71 mm。起重臂與塔身連接處的位移總量為870.13（869.91，-1.3263，-19.699）mm，其水平位移為870 mm。

3 結論

3.1 塔機的強度

圖10 工況三Von Mises等效應力

圖11 工況三總位移

塔機在端部吊載（工況一）及最大吊重（工況二）工況下起重臂主弦的最大壓應力（及Von Mises應力）分別達到265 MPa和269 MPa，略高于Q345B的許用應力257.5 MPa。在非工作狀態風壓1 100 Pa的情況下，最大壓應力（Von Mises等效應力）也達到256.534 MPa。從安全的角度考慮，塔機起重臂上下弦及塔身主弦的強度略嫌不足，可以對應力超過或接近許用應力的部件進行適當加強（選用更大截面或采用加強板焊接加固）。

3.2 塔機的剛度

根據GB/T3811-2008《起重機設計規范》[3]，塔機塔身在其與臂架連接處（臂架與轉柱連接處）產生的水平靜位移ΔL與塔身自由高度H的關系，推薦為：。在本分析中，H=塔身在其與臂架連接處在工況一、工況二和工況三所產生的水平靜位移ΔL分別為763 mm、803 mm和870 mm。從三種工況來看，塔機的靜剛度略為不足，結合三種工況的應力結果，建議對塔機應力超過或接近許用應力的部件進行適當加強，以達到強度和剛度都滿足設計要求。

［1］ GB/13752-92.塔式起重機設計規范［S］.

［2］ANSYS Inc.ANSYS Help 12.0［Z］.2012.

［3］GB/T3811-2008.起重機設計規范［S］.