塔式起重機多工況有限元分析

歐笛聲 王雨時

（廣西科技大學機械工程學院，廣西，柳州 545006）

引言

隨著塔式起重機技術的進步，塔機正不斷向大型化發展，隨之而來的結構穩定性問題也越來越重要[1].塔機的骨架是金屬結構，其結構強度和剛度決定著塔機工作的可靠性和安全性。因此準確的模擬塔機結構、典型運行工況成為解決塔機設計問題的關鍵。本文以QTZ5613塔機為例建立了一種基于ANSYS的建模分析方法，以達到從設計階段找出塔機工作狀態的危險部位及振動對結構的影響的目的，從而為塔機的設計計算提供可靠數據和支持。

1. 塔機有限元模型建立

1.1 單元類型的選擇

塔式起重機為空間實體結構，采用BEAM188單元因為BEAM188能夠采用SECTYPE,SECDATA來定義任何截面形狀?？梢暂^好地再現角鋼組合、方鋼、角鋼等實際形狀，使計算更符合實際。因此塔身、平衡臂、重臂、塔頂主要桿件選擇BEAM188梁單元進行建模。拉桿選擇LINK180單元，因為此單元是有著廣泛工程應用的桿單元，它可以用來模擬桁架、纜索、連桿、彈簧等等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，就像鉸接結構一樣，本單元不承受彎矩。

1.2 塔式起重機整體建模

1 ）首先,塔機模型應與實際形狀保持幾何上的相同，對研究問題影響不大的局部結構可以適當簡化。塔機計算主要使用梁單元、桿單元以及板殼單元來進行有限元模擬。對塔機進行整體分析時，可以將回轉支撐等實體結構采用梁單元來進行模擬，使塔機整體結構中只包含梁單元，這樣可以避免具有不同自由度的梁單元和板殼單元的連接問題出現。

2 ）設置截面：塔身外立柱采用角鋼160×160×14、斜支撐采用角鋼尺寸135×135×12×8、塔臂弦桿采用角鋼尺寸135×135×12、塔臂內立柱及側面桿鋼管Φ50×8，R1=17mm，

R0=25mm、拉桿材料為48號圓鋼橫截面積為1810mm2、平衡臂部分的剛性梁，方鋼300×200

用ANSYS建立整體模型如圖1

圖1 塔機有限元模型The finite element model of tower

2.施加載荷

2.1 自重載荷

基本載荷是正常工作時始終或經常作用在塔式起重機上的載荷，包括自重載荷、起升載荷和風載荷。

a. 自重載荷指除起升載荷外起重機各部分的總重量。它包括結構、機構、電器設備、以及附設在起重機上的存倉等的重力。

b. 當從地面提升起升質量時，塔式起重機受到的振動激勵以起升沖擊系數 乘以自重載荷Fg加以考慮。

QTZ5613塔機起重特性曲線如圖2所示

圖 2 塔機起重特性曲線Tower crane hoisting characteristic curve

3. 結果與分析

由于塔機的水平位移主要是由自重載荷及風載荷引起的，風載荷計算公式

其中 ---風力系數， ---風壓工作狀態時取250pa，A---迎風面積

根據計算公式可以求出各工況下的總載荷然后再用ANSYS軟件分析出各種工況下塔身的水平位移 ,根據塔機的設計規范， ＜1.34H/1 00=1.34×42000/100=568.2mm，所以該塔機設計符合要求。

4.結論

本文通過ANSYS對塔式起重機進行建模與應力和剛度分析，找出了塔機危險工況下最大應力點的位置，驗證了塔機的靜剛度滿足安全要求，對塔式起重機在各種工況中的位移、應力的研究可以為塔機的預警技術中安全監測點的選擇提供一個模型上的支持。

【參考文獻】

[1]GB/T 13752—92，塔式起重機設計規范 [S].

[2]李斌. 塔式起重機起重特性分析.沈陽：沈陽建筑工程學院學報，1991.