現代技術在塔式起重機中的應用

1 概況

隨著施工技術的發展，對塔機的性能要求也越來越高，這就要求在產品的設計階段就能精確地預測出產品的技術性能、強度、壽命等，并需要對結構的靜、動強度等技術參數進行分析計算，有限元分析法為解決這些問題提供了有效手段。它可以確定結構上因外載引起的應力和應變，可以用于靜強度校核、耐久性分析、關鍵部位的確定、材料選擇等。金屬結構是塔機主要骨架，其結構強度、剛度和穩定性決定著塔機的整體可靠性。因此對其進行靜態和動態分析是塔機設計中一項極其重要的工作。

目前有限元技術已成為塔機借光分析中最為有效的數學方法，現在應用的有限元軟件主要有SAP84、ANSYS、ADINA、MSC、紫瑞等，其中以ANSYS軟件在塔機設計中應用最為方便。應用有限元軟件ANSYS對塔機進行有限元分析，要進行下列步驟。

2 應用情況

根據塔機設計規范的規定，塔機必須工作在材料彈性變形范圍內，所以只討論常溫靜態線性分析。在ANSYS中，塔機計算主要使用梁單元、桿單元和殼單元來構建有限元模型，此前要對塔機實體模型進行必要的簡化。由于塔機是空間實體，所以要選用三維有限元單元來建模。ANSYS軟件提供的彈性三維梁單元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189。

在塔機計算中我們常采用BEAM44、BEAM188或者BEAM189單元來建立有限元模型，這三種單元各具特點，可以滿足不同的分析要求。

根據它們不同特點在模型中模擬不同的部件：塔身采用BEAM44單元建模，整個塔身從底到頂分為兩段，截面參數依次取基礎節截面參數和標準節參數；起重臂采用BEAM188建模，而平衡臂和撐桿使用BEAM189建模。拉桿和回轉螺栓使用三維桿單元LINK8建模；回轉平臺使用三維殼單元SHELL41建模；回轉支撐使用三維實體單元SOLID 185建模。塔機結構中有許多較短的桿件。如塔身接頭、起重臂接頭等桿件都屬于深梁，如果用普通梁單元來建模會造成較大的誤差，所以應采用BEAM189單元來建模。

用有限元法對塔機的頂升結構進行分析塔式起重機的頂升結構由塔身、頂升套架和頂升液壓缸3部分組成，其主要功能是實現自升式塔機的自身架設，對其進行有限元分析的目的是求解頂升過程中某個狀態下頂升結構整體的應力和變形。但有些情況，如塔機的桁架結構是采用各種型鋼焊接而成，各個桿件的形心線相互交錯并不相交將會導致一定的誤差。采用有限元中單元技術和梁截面偏心技術，很好地解決了如上問題，并提高了有限元分析的精度和效率。有限元中的界面單元是用來仿真不同的兩個部件之間相互關系的單元，例如接觸單元和非線性桿單元等。ANSYS中的LINK10單元就是一種非線性桿單元，這種單元有兩種狀態：只承受壓力或只承受拉力，只承受壓力的桿單元可以仿真簡單的接觸問題，只承受拉力的桿單元可以仿真索結構。它是一種非線性單元，在求解時，求解器首先判斷桿單元的狀態，根據狀態判斷桿單元對總剛度陣是否有貢獻，經過幾次迭代就可以收斂到最終結果。

在以往的梁單元前處理中，梁單元的形心線必須通過節點。為了前處理方便，只能將所有的梁單元的形心定義在兩個節點的連線上。梁截面偏心技術是一種有限元的前處理技術，節點的布置方法與傳統的前處理方法相同，但在定義截面時給出偏心距離，采用新的剛度陣將偏心問題考慮進去，與普通的梁單元剛度陣不同。偏心只在截面上發生，即Y、Z軸向的偏心不會影響單元的方向，即X軸的方向。平衡臂結構由臂架、平臺和欄桿等部件組成。建立平衡臂結構分析有限元模型來計算其各個單元內力，然后根據分析結果對各單元進行應力分析，最后對應力分布規律進行討論。

3 未來展望

隨著計算機技術的飛速發展和有限元技術日臻完善，有限元法必將成為塔設計的主要手段。當然由于有限元軟件自身的一些假設適用性限制和具體操作時一些不當設置的影響，有限元模擬結果可能偏離實際情況，因此在使用有限元進行結構分析時，需要不斷的探索、實踐、重復計算以實際情況來檢驗計算結果，并及時總結經驗，在實踐中提高使用技能，在設計中逐步運用好有限元技術使產品結構更優、可靠性更高、用料更合理。

參考文獻：

[1]中國工程建設標準化協會GB50235-2010工業金屬管道工程施工規范

[2]中國國家標準化管理委員會GB/T20801.1-2006壓力管道規范工業管道