基于ANSYS的塔式起重機有限元靜力分析

潘友杰 （安徽建筑機械有限責任公司，安徽 合肥 230601）

基于ANSYS的塔式起重機有限元靜力分析

潘友杰 （安徽建筑機械有限責任公司，安徽 合肥 230601）

根據塔式起重機的結構特點，對其整體結構進行合理劃分，使用有限元方法建立塔機三維模型，著重分析模型單元類型選擇和網格粒度劃分問題；詳細計算塔機在特定工作環境下所受的自重、風載和起吊載荷，建立塔機受載模型；最后簡要分析塔式起重機的應力分布和位移變形情況，為整體結構優化奠定基礎。

塔式起重機；網格劃分；負載分析

塔式起重機是建筑工程領域的重要機械設備，是建筑施工作業的主要起重運輸機械，由于具有工作效率高、使用范圍廣、回轉半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸簡便等優點，已成為工程建設中的主要機種之一[1]。塔機的工作特點是將各種建筑材料在其工作空間內實現垂直與水平運輸，其工作安全性直接關系到現場工作效率與工作人員的人身安全[2]。對塔式起重機進行結構優化設計具有以下優點：①保證塔機的工作安全性，降低安全事故的發生；②合理設計結構尺寸，減少塔機重量，降低制造成本；③改善塔機起重性能，有效提高工作效率。

塔式起重機的整體結構主要包括塔身、吊臂、平衡臂、塔尖、拉桿、回轉平臺等，其中吊臂為塔機的工作核心部件。根據塔機各部分的結構特點，在建模過程中可將結構分為三部分：①塔身、吊臂、平衡臂和塔尖，這類結構以梁結構為主，主要受到兩端拉力和彎矩的作用，建模時選取梁單元對其實體進行等效屬性附加；②拉桿，拉桿在工作時只受到兩端拉力作用，體現桿結構特征，可選取桿單元對拉桿進行等效實體建模；③回轉平臺，回轉平臺為實體結構，可等效為實體單元模型。根據以上分析，建立塔式起重機結構框架模型如圖所示。

圖1 塔機結構框架模型

采用自底向上[3]的建模方式進行建模，即從點到線，再到面、實體的建模方式。首先在ansys三維坐標系中建出目標關鍵點，再由點生成線，最后給所有線劃分網格并賦予合適的截面形狀、密度、彈性模量、泊松比等。

1.2.1 定義材料屬性

塔機選用的材料為碳鋼，主要型號為Q235或Q345；楊氏彈性模量為E=2.06×105MPa，泊松比為μ=0.3，密度取7800kg/m3。

1.2.2 選擇單元類型

使用ansys建模時，根據塔機各部分的結構特征選取合適的模型單元是建立合理模型的關鍵。對于梁特征結構可選擇beam類單元賦予屬性，這類單元可承受拉、壓、彎、扭各種載荷特征，且其每個節點都有6個自由度，包括x、y、z3個方向上的線位移和角位移[4]。桿結構則選取link類單元建立模型，link類單元只能承受軸向拉力，不能承受彎矩。回轉平臺等效為實體結構，選擇實體單元對模型進行劃分。

1.2.3 網格粒度劃分原則

網格粒度劃分[5]是指對于不同結構特征部位選取合適的網格數量、網格疏密度、網格質量和網格布局情景對劃分對象進行合理粒度劃分。塔式起重機的整體模型具有不對稱性，對于各個結構部分需采取不同形式的粒度劃分方式，其重要劃分原則為以下幾點：

①網格數量影響計算精度和運算規模大小，增加網格數量，提高模型的計算結構精度，但同時也會增大計算規模；

②合理規劃網格疏密度能夠有效提高計算精度，在結構特征突變較明顯的部位(如桿件連接部)應采取較為密集的網格，在結構特征相似度較大的部位則選擇相對稀疏的網格；

③網格質量是指網格形狀的合理性，在重點結構部位需選擇高質量網格，相對次要的部位，相應網格質量可適當降低。

根據上述要求，通過ansys建立塔式起重機的三維模型如圖所示。

圖2 基于ansys的塔機三維模型

力學分析是機械產品設計的的重要階段，其主要目的是確定結構在受力條件下受指定載荷、溫度和約束的應力和位移分布[6]。本文以6518塔式起重機為例，分析該型號塔機在65m處，吊1.8t重物這一工況下的應力分布和位移變形情況。在整個模型分析過程中，為了分析結果更加符合實際情況，不能單純的只附加起吊載荷，需考慮自重、風載、起升載荷等各種載荷對塔機模型的綜合作用效果，模型附加載荷如圖所示。

圖3 塔機模型載荷分布圖

自重載荷的計算過程是：分別建立塔身、塔頂、平衡臂、吊臂和拉桿的有限元模型，針對每一種模型分別選取4個支點做全自由度約束處理，并只施加重力加速度（9.81m/s2），根據支點的支反力計算相應質量，再加上平衡重的質量，得到塔機的整體質量。其數學計算模型如下：

其中：Gi為第i部分結構的質量。

起升載荷是指塔機在工作時起吊的負載重量以及負載在上升過程中產生的慣性載荷的總和，其數學計算表達式為：

其中：FQ′為起升載荷重量；PHQ為起升慣性載荷，PHQ=Φ5（FQ′+0.145）×a；Φ5為安全系數（1≤Φ5≤2）；a為起升時的加速度。

塔機為戶外作業重型機械，在受載分析時需要考慮所處外界環境對工作過程的影響，本文主要考慮風壓因素。為了使塔機受載載荷最大化，以側向風為風力方向，則受風面主要有塔身和臂架側面兩部分，同時起吊重物也會受到風力作用。

受風等效面積A計算公式如下：

其中：A1為塔身面積；A2為臂架垂直于風向的投影面積：ω為結構的充實率；η為桁架結構檔風折減系數。

風載計算公式：Fw=CwPwA

其中：Cw為單片結構風力系數，取1.3；Pw為工作狀態風壓250Pa。

根據經驗，吊重風載可按照起吊重力的3%計算，則可得到吊重所受風壓，最后得到風載加速度。

6518塔式起重機的吊臂65m處起吊1.8t重物時，塔機的變形情況和位移分布情況如圖4所示。由圖4可知：塔機的最大位移變形處為吊臂端部最遠點，其位移Y=1399mm。根據以往經驗，該變形量在許可變形范圍之內。

TU17

A

1007-7359（2016）05-0262-02

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.05.094

潘友杰（1965-），男，安徽安慶人，畢業于沈陽建筑大學，碩士，高級工程師。