基于ANSYS的QTZ315塔式起重機有限元分析

安 超

（重慶文理學(xué)院 機電工程學(xué)院，重慶 402160）

塔式起重機一般由三部分組成：金屬結(jié)構(gòu)部分、工作機構(gòu)部分、驅(qū)動控制系統(tǒng)部分。其金屬結(jié)構(gòu)部分又由塔身、塔頂、起重臂梁、平衡臂架、回轉(zhuǎn)支撐架和臺架等主要部件組成。塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)首先必須滿足強度要求，靜強度計算是最基本的計算。塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)部分主要由桁架焊接成，桿件數(shù)目眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此對塔式起重機進行靜力分析具有很好的實用價值。ANSYS是全球最通用的大型有限元分析軟件之一。利用ANSYS軟件，能夠?qū)嶋H模型置于各種復(fù)雜實際工況之中，準(zhǔn)確合理地進行分析，從而減少實際試驗的物質(zhì)和人力投入，提高工作效率。本文以QTZ315塔式起重機為例，利用ANSYS軟件對其整體結(jié)構(gòu)進行建模，并進行靜力分析。

1 ANSYS建模

建立有限元模型對靜力分析十分重要。模型建立的是否正確、合理，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文在建模過程中，將根據(jù)QTZ315塔式起重機的實際結(jié)構(gòu)特點，對其有限元模型做適當(dāng)?shù)暮喕绾雎院缚p對塔機的影響，軸銷連接均按固定連接對待等。

1.1 單元類型和材料參數(shù)

QTZ315塔式起重機工作中除了承受軸向力外，還要承受彎矩、扭矩和剪力，所以，本文選取三維梁單元BEAM4建模。鋼材選用Q235，其彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度為7800kg/m3。主肢材料為125mm×125mm×10mm（角鋼），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)截面尺寸為1.5m×1.5m×2.2m。

1.2 塔身建模

塔身由許多標(biāo)準(zhǔn)節(jié)構(gòu)成，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)又由立柱和腹板組成。建模時，把每個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接部分和立柱端部都設(shè)置為節(jié)點。由于每個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的拓撲關(guān)系、幾何尺寸和截面類型相同，其他標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可以通過平移節(jié)點位置來形成。塔身建模如圖1所示。

1.3 塔臂建模

塔臂采用三角形截面等強度設(shè)計，拓撲關(guān)系比較簡單，桿件連接之間又有很強的相似性。建模時，先建立單一臂架的參數(shù)化模型，然后依照工況建立整個臂架系統(tǒng)的有限元模型。建模過程中，對模型做適當(dāng)?shù)暮喕合覘U相鄰各腹板的端點都合為一點；上、下弦桿和腹桿的截面都一樣；臂架各節(jié)間的軸銷連接都按固定連接對待。塔臂建模如圖2所示。

圖1 塔身有限元模型

圖2 塔臂有限元模型

1.4 塔頂建模

塔頂與塔身頂層標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的節(jié)點相連，其第一層節(jié)點又連接著塔臂和平衡臂。塔頂形狀規(guī)律性較差，塔頂建模如圖3所示。

1.5 平衡臂建模

建模時將平衡臂結(jié)構(gòu)進行簡化，將上面附加部分簡化成質(zhì)量等效的部件。對于平衡臂和塔身、塔臂、塔頂連接的部分，將節(jié)點直接布置在一起。QTZ315塔式起重機的有限元模型如圖4所示。

2 加載

模型建好求解之前，需要定義塔機結(jié)構(gòu)的位移約束和載荷條件。QTZ315塔式起重機的位移約束，只需要將底部的4個節(jié)點固定即可。QTZ315（4206）塔式起重機的最大幅度額定起重量為0.633t，通過節(jié)點力定義命令“F，328，fy，-3165”和“F，329，fy，-3165”在 328和 329節(jié)點上施加集中力載荷。

圖3 塔頂有限元模型

圖4 QTZ315塔機有限元模型

3 塔機靜力分析

為了提取QTZ315塔式起重機各個桿件內(nèi)力的大小，要用單元表命令來定義需要處理的單元結(jié)果。具體命令如下：“Etable，LS1，ls，1”（軸向正應(yīng)力SDIR）；“Etable，LS2，ls，2”（梁內(nèi)單元＋Y面上的彎曲應(yīng)力SBYT）；“Etable，LS3，ls，3”（梁內(nèi)單元－Y面上的彎曲應(yīng)力SBYB）；“Etable，LS4，ls，4”（梁內(nèi)單元＋Z面上的彎曲應(yīng)力SBZT）；“Etable，LS5，ls，5”（梁內(nèi)單元－Z面上的彎曲應(yīng)力SBZB）；“Etable，smax，NMISC，1”（最大應(yīng)力）；“Etable，smin，NMISC，2”（最小應(yīng)力）。

用“pldisp，2”命令顯示QTZ315塔式起重機最大幅度額定起重量下的變形，如圖5所示。

用“pletab，LS1”命令顯示QTZ315塔式起重機在最大幅度額定起重量下的單元軸向應(yīng)力分布，如圖6所示。

圖5 QTZ315最大幅度額定起重量下的變形

圖6 QTZ315模型中單元軸向應(yīng)力計算結(jié)果云圖

用“pretab，LS1，LS2，LS3，LS4，LS5，smax，smin”顯示單元表內(nèi)容。表1、表2分別為單元表中各項結(jié)果的最小值、最大值及出現(xiàn)這些極值的單元。

表1 各單元表中的最小值

表2 各單元表中的最大值

從分析結(jié)果可知，QTZ315塔式起重機在最大幅度額定起重量下的變形為0.183m。最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為44.457MPa和-47.572MPa，出現(xiàn)在塔臂和斜拉索連接位置的附近。最大應(yīng)力（正應(yīng)力+彎曲應(yīng)力）為150.58MPa，出現(xiàn)在塔臂端部的腹桿上。最小應(yīng)力（正應(yīng)力-彎曲應(yīng)力）為-155.01MPa，出現(xiàn)在塔臂開始段的前面兩根斜桿上。

4 結(jié)語

本文利用ANSYS軟件對QTZ315塔式起重機進行了靜力分析。在最大幅度額定起重量下，QTZ315塔式起重機的最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，一般出現(xiàn)在塔臂和斜拉索連接位置的附近。最大和最小應(yīng)力分別出現(xiàn)在，塔臂端部的腹桿和塔臂開始段的前兩根斜桿上。在進行QTZ315塔式起重機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計時，應(yīng)適當(dāng)增加這幾個區(qū)域桿件的橫截面積，以滿足其強度要求。

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