塔式起重機外掛內爬支承體系參數化設計

王 連

(1.沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.撫順永茂建筑機械有限公司，遼寧 撫順 113126)

塔式起重機外掛內爬支承體系參數化設計

王 連1,2

(1.沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.撫順永茂建筑機械有限公司，遼寧 撫順 113126)

針對外掛內爬式塔機支承系統的計算問題，開發了通用的支承結構參數化計算系統。利用ANSYS軟件的二次開發功能，并與編程軟件Visual Basic相結合，通過人機操作界面輸入計算參數，由內部程序輸出命令流調用ANSYS軟件，系統自動完成計算并輸出計算結果。為了驗證系統計算的準確性和可行性，本文以撫順永茂建筑機械有限公司的STL720動臂內爬式塔機為例，分析了支承結構的強度，利用手動計算值與軟件輸出值進行比較，求出誤差的大小，驗證計算系統的正確性及可靠性。

內爬式塔式起重機；外掛內爬；參數化；有限元；命令流

近年來，高層建筑越來越多的走入人們的視線，建筑物高度逐漸提升，采用何種施工方案成為人們關注的焦點。外掛內爬塔機以其自身的特點，在施工中應用越來越多。該種安裝形式塔機的支承體系設計也逐漸成為人們關注的重點。由于塔機的受力工況種類多，不同的支承系統結構以及附加彎矩的影響，計算量頗大，在建模和加載時出現錯誤的概率就很高。

本文利用參數化設計方法，基于Visual Basic平臺，對ANSYS有限元分析軟件二次開發，實現只需輸入少量計算參數即可完成對支承結構的結構分析，可以直接讀出計算結果。此軟件提高了工作效率和計算精度，充分利用了模型的可修改性和模型的重復利用性。減少人力資源的浪費，加快結構設計的步伐，提高科技的先進性。

1 參數化技術

參數化設計是以一種全新的思維方式來進行產品的創建和修改設計的方法，它用約束來表達產品幾何模型的形狀特征，定義一組參數以控制設計結果，從而能夠通過調整參數來修改設計模型，并能方便地創建一系列在形狀或功能上相似的設計方案。

參數化所利用的軟件有：ANSYS。參數化設計所應用的語言有：APDL（ANSYS Parameter Design Language）、Visual Basic（以下簡稱VB）。

2 外掛內爬塔機支承體系結構特點

內爬塔機的爬升是依靠液壓頂升油缸完成的，其頂升油缸支撐在內爬框架上，傳統內爬塔機的內爬框安裝在預先放置在建筑物內的鋼梁上，鋼梁由建筑剪力墻或樓板支撐。而外掛內爬塔機，是在建筑物外部搭建出支撐系統，將內爬塔機安裝在支撐系統上，從而實現了由內至外的轉換。

外掛支承系統由三套支承框架組成，塔機作業時兩套支承框架協同工作，塔機爬升時第三套支承框架交替工作，如圖1所示。支承橫梁通常為箱形結構，其一端通過鉸座與核心筒壁相連，另一端與斜拉桿鉸接。

3 參數化建模整體流程

外掛內爬塔機支承體系參數化計算系統主要是利用ANSYS提供的APDL語言對ANSYS進行封裝，并且結合了Visual Basic 6.0的可視化開發軟件，實現了支承體系結構分析的可視化輸入和可視化輸出。參數化計算系統整體操作流程如2所示。

圖1 外掛內爬塔機支承體系構成

圖2 參數化整體操作流程圖

4 外掛內爬塔機支承體系參數化計算系統

按照參數化整體流程分配可確定具體流程：第一步：建立人機交互界面，輸入計算所需信息；第二步形成APDL命令流，按照SNSYS計算程序的順序，并利用VB內部Print功能，將從操作界面內輸入的各項信息整合到txt文本當中，生成APDL命令流文件；第三步：利用VB中的Shell函數來啟動ANSYS軟件，讀取txt中生成的APDL命令流，按命令流的順序分別生成模型、劃分網格、加載；第四步：顯示計算結果并判定最終計算結論。

4.1 建立主操作界面

主界面中有2個選項，其中“支承體系整體計算”功能就是對支承體系整體進行靜態分析，包括支承體系模型建立、作用載荷計算和計算結果顯示；本文僅以“支承體系整體計算”為例進行論述。單擊“支承體系整體計算”按鈕，系統進入支承體系模型和載荷計算界面，在彈出的窗口中設置了2個按鈕，分別是：控制支承體系模型建立、支承體系載荷的計算。有限元模型建立界面如圖3所示。

圖3 有限元模型建立界面

4.2 材料參數設定

根據需要，材料參數界面中設計的材料參數輸入框包含Beam188和 Link8兩種單元。

執行的程序代碼：

程序中使用了Output方式輸出，可以實現文件內容的覆蓋，從而達到命令流的不斷更新。

4.3 支承體系結構參數設定

保存材料參數后，需要進入“支承體系結構參數設定”。系統中包含了三種形式的支承結構，需要按照操作要求選擇分析對象。通過一個Combobox控件來選擇支承結構類型（上拉式和下支式和上拉下支式）。結構參數設定界面如圖4所示。

圖4 結構參數設定界面

以上程序中，通過控制Label和Text 控件的Visible和Enabled屬性值，使其與不同支撐形式相對應。

輸入參數后，點擊“保存”按鈕，同樣利用Open…...Output和Print語句將參數輸出到文本文件中。但是每種支撐形式需要的參數不同，因此程序代碼也不相同。

其中上拉式代碼為：

由于內爬式塔機在爬升及工作過程中由兩道內爬框參與工作，因此本系統中給出兩道參數設定。并在第二道支承體系參數設定時增加“內爬框間距參數”的設定。

4.4 建立材料庫

在定義單元編號時，統一規定編號，后續程序調用材料庫即可。

4.5 桿件參數設定

在此界面中設置了“桿件參數”按鈕，設定桿件型號（圖5）。第一道及第二道的桿件參數設定方法相同。此界面是對支承系統的各個桿件材料進行定義，利用SStab控件來實現依次輸入每部分桿件的型號尺寸。

圖5 桿件參數設定界面

本計算系統中加入了自動編號功能，不僅使單元編號定義的更準確，而且也使操作更方便，避免了人為操作的錯誤機率。在程序運行界面里，點擊“保存”按鈕，通過跳轉語句，SStab會自動進行跳轉，進入到下一桿件的界面。程序跳轉語句為：SSTab1.Tab = SSTab1.Tab + 1。

全部的桿件定義結束后，最終通過程序將每部分的文本文件整合到一起，作為該支承體系的桿件參數文件。

對于第一道、第二道外懸爬支承體系采用相同的處理方法，分別存儲為上部支桿及下部支桿。

通過上述各項程序，建立了外懸爬支承體系參數化模型的具體結構以及兩道支承體系的相關數據。

上述介紹即為外懸爬支承體系桿件參數的選擇，用戶可根據實際施工中要求選擇不同的支撐形式。

4.6 支承體系載荷計算

內爬塔機在工作時作用在支承體系上的載荷包括塔機自重載荷、由塔機及吊載偏心產生的載荷、作用在塔機上風載荷、塔機回轉慣性力和支承體系自身產生的重力。本計算系統可提供自定義內爬間距時的載荷計算，包括風載荷及內爬反力。支承體系施加載荷計算界面如圖6所示。

圖6 支護體系施加載荷計算界面

4.7 施加載荷

塔機在工作狀態及非工作狀態時可自由回轉，因此載荷作用點隨臂架回轉角度不同及水平力作用方向不同而不同。根據臂架回轉角度的不同，分別施加載荷，載荷界面如圖7所示。

圖7 施加載荷界面

根據臂架角度不同以及垂直力支撐點不同，計算工況分為六個工況，即臂架與塔身中心線0°、45°、90°，以及垂直力由四點支撐、二點支撐共6個組合工況。

點擊“進入ANSYS分析”，系統啟動ANSYS有限元計算軟件，并將前面各節點輸出的文本文件逐一輸入ANSYS中，生成載荷文本文件，利用open及append命令，生產zaihe.txt文件，將文本文件寫入載荷命令流。

將載荷命令寫入到zaihe模塊中，利用dk命令在關鍵點上添加約束，利用fk命令在關鍵點上加載。

程序進入后處理求解階段，讀入命令流，加載并運行，生成計算結果。每個工況計算完成后，操作者可通過點擊界面中的“查看分析結果”，查看每個工況的計算結果。每計算完一個工況，界面中的數據會自動增加一組，直到最后一個工況全部計算完成后，分析結果中會自動填寫全部計算數據。

上述過程即為載荷模塊的說明，全部計算完成后，點擊“返回主界面”，即可返回至主界面。

5 結 語

筆者以STL720內爬塔機為例，通過對支撐鋼梁手動計算得出最大應力為121MPa，軟件分析計算結果顯示最大應力值為131MPa,絕對誤差為10MPa，相對誤差為7.6%，對計算結果進行分析，因手動計算時，垂直力中直接采用廠家提供的參數，未包含內爬框自身的重量，垂直力低于實際值，而軟件在加載時已自動加載內爬框的重量載荷。因此軟件分析更為精確，實現計算結果的自動輸出，并且結果為正確可靠。

[1]龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]博弈創作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

[3]李 斌，顧生青.內爬式塔式起重機支承梁端部彎矩弱化技術的研究[J].建筑機械，2014，(2)：67-71.

[4]郁政華，陳曉明，吳欣之，等.廣州新電視塔外掛內爬式塔式起重機應用技術[J].施工技術，2009，(4)：38-39.

[5]王呼佳，陳洪軍.ANSYS工程分析進階實例[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[6]張 峰,李兆前.參數化設計的研究現狀與發展趨勢[J].機械工程師，2002，(1)：13－15.

[7]楊秀萍,王鵬林.基于Ansys語言的零件有限元參數化分析[J].機械設計與研究，2005，6(11)：10－11.

（編輯 賈澤輝）

External support system parametric design of tower crane

WANG Lian

TH212；TH213.3

B

1001-1366(2015)09-0033-04

2015－07－16