基于ANSYS 的QTZ80 塔機有限元分析

（唐山工業職業技術學院，河北 唐山 063299）

傳統的塔機設計方法是以力學計算為基礎，滿足塔機“三性”（強度性、鋼度性、穩定性）使用要求的同時，塔機的安全性和安拆的方便性也要充分考慮，但傳統計算考慮因素多帶來的計算量大，故往往簡化模型，選取較大的安全系數，造成浪費。電子計算機技術及有限元技術可使龐大的計算量及復雜的計算模型均能有效解決，為塔機設計帶來了新思路與方法。對于塔式起重機設計的新要求越加嚴格，不僅要滿足“三性”使用要求及安全性、安拆方便性的要求，也要考慮塔機工作狀態的性能特征及駕駛室位置的振動特性等參數，以保證其在使用過程中的舒適性及安全性[1-3]。

1 ANSYS 整機建模

QTZ80 塔機機身采用螺栓聯接，塔機的起重臂、平衡臂采用梢軸聯接。本文以QTZ80 塔機為建模基礎，進行ANSYS 建模。先通過圖紙讀取ANSYS 建模所需的塔機塔身鋼結構建模參數，再通過塔機在自身重量下的變形量及應力值驗證模型的正確性，然后求出塔機的各方面參數。用這種方法完成整機模型，在ANSYS 中添加載荷[4]，進行靜力學仿真，求解關鍵節點應力應變值，然后將對應載荷下的應力仿真值與實驗過程中應變片檢測應力值相比較，取不同載荷情況一一對比，若結果相差不大，且變化趨勢一致，則代表在ANSYS 中的建模是正確的。則可用ANSYS 對塔機不同工況下不同位置處的點的振動情況進行仿真測量，以便實現對不同位置震動情況的預測[5-6]。

1.1 塔式起重機各部分構件截面幾何參數

本研究模型各機構所用鋼材結構尺寸如表1 所示。

1.2 ANSYS 中塔機標準節建模

QTZ80 塔身是由6 節基礎節、12 節標準節組成。基礎節與標準節之間除了主肢型材截面形狀不一樣，其余參數均相同，所以在建塔身時只要建好一節，其他17 節只要復制就可以了。建成的標準節模型如圖1 所示。

建立一個標準節模型后，根據標準節高度將已建立的標準節模型以標準節高度為單位在豎直方向陣列，完成塔機塔身的建模，最終生成的塔身如圖2 所示，需要注意的是為了便于展示，圖2 的模型以傾斜狀態給出，但其方向為豎直方向。

表1 塔式起重機各部分構件截面幾何參數

圖1 標準節模型

圖2 塔身模型

1.3 ANSYS 中上下回轉臺及回轉塔身建模

因本次仿真研究目的在于整機仿真，塔機回轉臺實際模型較為復雜，但塔機回轉臺在整機仿真下并不影響其他部位的受力及變形。故在本次整機建模過程中將回轉臺進行了較大的簡化，對塔機回轉臺的簡化在回轉臺局部受力影響較大，但對整體受力影響不大，模型如圖3所示。

圖3 上下回轉臺及回轉塔身建模

1.4 ANSYS 中塔冒的建模

塔機的塔冒雖然結構相對塔身小得多，但受力是最為復雜的結構之一，塔冒往往通過活動鉸鏈與塔身上回轉臺鏈接，小型塔機為簡化結構往往直接與上回轉臺通過焊接固連，塔冒通過圓形拉桿分別與塔機起重臂及平衡臂相連，塔冒在工作過程中不僅僅起到平衡起重臂與平衡臂的作用，在塔機回轉過程中受到拉桿的側向拉力使得塔冒受力情況極其復雜，故建模過程中應詳細考慮塔冒工況，盡可能使模型貼近工作實際，塔冒建模原則如下：

1)模型能夠相對準確反應塔冒受力情況，且與塔冒實際強度特性一致，能夠真實反應塔冒工作過程中各種變形及應力傳遞。

2)塔頂結構的結構模型與實際結構在原則上應保持一致，盡可能不簡化模型，力爭與實際結構相一致。

3)塔頂金屬結構受力能夠反映真實情況，把各種類型的載荷加在相應單元的節點上。

依據以上原則，對塔機的塔冒在ANSYS 中進行模型建立，其模型如圖4 所示。

圖4 塔冒的模型

1.5 ANSYS 中起重臂的建模

在建模過程中節點的設置位置一般原則為：桿件結合處設置節點，以便更好地觀察桿件結合處的應力應變情況，對受力較為復雜的下弦桿等部件設置較為密集的節點，以便計算更加精確，起重臂與塔身回轉結構的結合處受到拉力、扭矩的作用，變形較為復雜，各節點距離應適當減小，以便得到更準確仿真結果。按此原則方法，建立起重臂模型，如圖5 所示。

圖5 起重臂模型

1.6 ANSYS 中平衡臂建模

平衡臂是塔機工作過程中平衡起重物體的主要部件，但起重臂受力方式相對簡單，載荷類型及作用方式較起重臂單一，其結構多為矩形框架結構，末端懸掛有配重，其模型如圖6 所示。

圖6 平衡臂模型

1.7 ANSYS 中各部分裝配過程

單擊preprocessor→Coupling/Ceqn→Couple DOFs→如圖示，選擇需要couple 的兩個點→單擊ok→如圖示，標上couple 序號（一定要排好序號），選擇約束方向→couple 完成。用couple 命令將已經完成建模的塔身、塔帽、平衡臂、起重臂裝配為整體塔機，添加拉桿，完成塔機整機模型的建模，如圖7 所示。

圖7 塔機在ANSYS 模型

2 ANSYS 模型仿真應力與實際應力比較

為驗證整機組裝之后模型的準確性，在QTZ80 塔機實際工作中的不同工況下利用應變片采集各種工況下的不同數據，而后在整機有限元模型中添加相同的工作載荷，觀察應變片相應位置的節點位移量及應力、應變，與實際應力應變對比，驗證模型準確性。本文選取一個工況的21 個檢測點予以展示，其結果如圖8 所示。

圖8 ANSYS 模型仿真應力與實際應力比較

3 結束語

由仿真結果及實際工況下的結果對比可知，模型與實際測量結果較為一致，數值誤差在可接受范圍內，且應力變化趨勢一致，可以認為該有限元模型能夠很好地表達真實塔機，利用該有限元模型可以快捷方便實現各種工況下、各個節點位置的應力值、應變量的求解，簡化了實驗難度。