起重機結構有限元分析

董富祥

摘 要：本文利用ANSYS軟件對塔式起重機進行有限元分析，建立起塔式起重機簡化模型，對其各個位置處應力值進行計算，為塔式起重機的設計及計算提供一定的參考。

關鍵詞：起重機；有限元分析；ANSYS

中圖分類號：TH213 文獻標識碼：A

0.引言

塔式起重機對現代工業與建筑行業的應用非常廣泛，其構造為鋼結構，承受著所有的荷載及自身重量。鋼結構應力值的大小直接決定著起重機設計所需材料是否符合標準，從而起重機的質量。為使材料能滿足起重機應力要求，對其進行有限元分析便十分有必要。本文通過對應力值與許用應力的大小相比較，得出材料是否適用的相關結論，為塔式起重機的設計提供了參考。

1.有限元模型的建立

有限元模型的建立對起重機結構有限元分析起著決定性作用，其模型建立的過程是將真實結構簡化模擬仿真并對其主要參數精度進行控制。模型建立的方法要根據所要分析的目的，分析整體結構時要將視點放置于遠方，分析局部結構時要將視點放置于拉近時位置。具體模型的建立過程如下：

1.1模型的簡化處理

模型的設置既要控制計算量，又要保證計算的準確性。因而在模型設定的時候對塔式起重機進行了一系列簡化處理：（1）將幾何結構、剛度回轉機構等效設置為梁單元；（2）對平衡臂部分截面尺寸適當當加大從而有效地模擬平衡重；（3）為簡化模型結構，將對計算結果影響較小的結構如起重鋼絲繩、司機室等忽略處理；（4）按梁單元處理起重臂與平衡臂的斜拉索；（5）采用質量單元模擬質量較小且集中的變幅機構等塔機附件。

1.2單元的選取

對于起重機結構模型的建立，本文在不影響塔機結構的受力原則下，整機結構自重根據模型，通過施加重力加速度由程序自行計算。有限元建模的簡化過擦恒會使自重略有減小，可以通過增大材料密度來對其進行補償。在一些質量集中處，如起升機構、變幅機構、平衡重及回轉機構等，可以通過在相應位置處增加質量單元。模型整個臂架機構離散為1345個單元，其中583個梁單元，1867個桿單元，21個質量單元，1006個節點，其有限元模型如圖1所示。

1.3材料屬性的定義及邊界條件的設置

起重機模型建立時材料的選擇如下：腹桿材料選擇Q235B，塔身桿件、拉桿、平衡臂弦桿和塔機起重臂材料選擇Q345A，模型的邊界約束條件選取盡量和實際工況一致。由于起重機底部剛度很大，因而在模型的建立過程默認底部可承受較強彎矩，支座固定。本文研究的工況為，工況一：起重量Q=22t，工作幅度R=23.5m；工況二：起重量Q=0t，風荷載計算工作狀態：Pw=CqA，其中，C為風力系數；q為計算風壓，A為迎風面積，非工作狀態：Pw=CKhqA，并以節點荷載形式施加在結構相應各節點上。

2.結構載荷的模型化處理

在建模處理時，塔機的計算載荷必選采用最不利工況下的載荷，這樣才能保證運行的可靠性和安全性。自重載荷的建模過程由于軸銷連接、螺栓連接等連接方式忽略，因而建模后質量會比實際工程質量小，為保證計算的準確性，可考慮將材料的密度增大。增大重力加速度也可以減少由于模型質量減輕帶來的影響，但使用這種方法會對結構在靜態及瞬態動力學分析時，造成單元質量產生的慣性力變大，從而影響計算結果。建模通過加速度對回轉和啟動、制動引起的慣性荷載進行施加。起升荷載的施加用集中應力來模擬，風荷載的施加以集中應力的形式通過公式計算分散到各個節點上。

3.應力分析

3.1起重臂應力分析

對于工況一，其材料Q235和Q345許用應力分別為175MPa和257MPa。

對于起重臂的上弦桿最大應力位置在單元199，應力值為-59.8MPa；最大拉應力位置在單元542，其應力值為61.3MPa，模擬值和實際情況較為符合。對于起重臂下弦桿，其最大壓應力位置在單元23，最大壓應力值為-247.5MPa，小于材料許用應力。圖3為下弦桿應力局部放大圖，壓應力值符合實際情況。

3.2平衡臂應力分析

對于平衡臂弦桿的應力，其最大值發生在上弦桿處的單元313，應力值為-158MPa，小于材料的許用應力。

3.3塔身應力分析

塔身主肢的最大應力發生在單元1602，最大應力值為-215MPa，小于材料的許用應力。

4.應注意的問題

在建模過程中，應注意可能會對模擬結果產生影響的問題。首先是量綱的選擇問題，量綱的選擇直接影響計算的精度。在計算的過程中，幾何模型的參數過大或過小便會存在舍入誤差、起重機的ANSYS分析中主要用到的量綱為質量、長度、應力、重力加速度等，單位應統一處理。

結語

計算機的使用對于塔式起重機的結構分析起到重大作用，分析時首先經過合理的簡化建模，根據某一工況對所建模型進行計算，然后得到其各個位置處的應力值，將其應力值與所選擇材料的許用應力相比較，分析該材料的可用性，對塔式起重機的合理設計及計算體提供一定參考。

參考文獻

[1]徐云岳，何函.基于 ANSYS 的塔式起重機塔身設計平臺開發研制[J].計算機應用技術，2010，37（7）：33-36.

[2]于蘭峰 ，王金諾.塔式起重機結構系統動態優化[J].西南交通大學學報，2007，42（2）：206-210.

[3]潘變 ，王宗彥.基于云制造的起重機設計制造平臺研究[J].機械設計，2013，30（1）：6-9.endprint