基于ansys的塔式起重機力學(xué)分析

李康敏 徐雅瀾 耿冠秋 陳珂

摘 要：本文對塔式起重機進行研究，根據(jù)各結(jié)構(gòu)特點，建立塔式起重機仿真模型。然后考慮風(fēng)荷載作用，將風(fēng)載量化到各個部件的單元節(jié)點上，施加起重載荷和位移約束求解。分析結(jié)果，該塔式起重機性能優(yōu)良，安全穩(wěn)定。這對大型塔式起重機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性設(shè)計將有重要意義。

關(guān)鍵詞：塔式起重機；有限元；風(fēng)載荷

引言

近年來，隨著建筑行業(yè)快速發(fā)展，塔式起重機得到廣泛的推廣。塔式起重機的推廣使用，較大提高了工作效率，為施工創(chuàng)造了安全的工作環(huán)境。然而，工作效率提高的同時，塔式起重機也帶來了一定的機械危險。為此，國內(nèi)已開始重視在使用新型材料、新型工藝和新型技術(shù)的同時，研究安全穩(wěn)定技術(shù)，減少不安全因素，提高產(chǎn)品競爭力。

目前，塔機不斷向大型化發(fā)展，且主要以工作經(jīng)驗設(shè)計為主，雖滿足基本工作要求，但自重大和穩(wěn)定性差。本文通過對塔式起重機建模分析，得出其穩(wěn)定性及安全性的結(jié)論。

一、塔式起重機結(jié)構(gòu)特點

起重機的底架被固于專用的混凝土基礎(chǔ)上，其上部與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)連結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)最上端與回轉(zhuǎn)中心的下轉(zhuǎn)臺連接，下轉(zhuǎn)臺與回轉(zhuǎn)支承外圈連接?；剞D(zhuǎn)支承內(nèi)圈上的轉(zhuǎn)動部分，包括回轉(zhuǎn)上轉(zhuǎn)臺、平衡臂、起重臂、塔帽、變幅小車與吊鉤、起升機構(gòu)、平衡重、回轉(zhuǎn)機構(gòu)以及操縱室等，這些部件均通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)可以在水平面內(nèi)作500度的全回轉(zhuǎn)。

起重臂根部與上轉(zhuǎn)臺用鉸鏈連接，且兩根起重臂拉桿與塔帽連接。平衡臂根部與上轉(zhuǎn)臺用銷軸連接，也用兩根拉桿與塔帽相連。

塔式起重機是一種常見的施工起重結(jié)構(gòu)，按結(jié)構(gòu)類型可分為動臂式和靜臂式。由于塔式起重機塔身較高，受到風(fēng)載荷作用較大，因此對其安全性和可靠性的分析和評價是確保其在服役年限內(nèi)正常使用的重要環(huán)節(jié)。

二、起重機仿真建模

塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)部分主要有底架、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、下轉(zhuǎn)臺、回轉(zhuǎn)支承、上轉(zhuǎn)臺、塔帽、平衡臂、司機室、起重臂、變幅小車、拉桿等。

（1）塔身由標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)呈長方形空間桁架結(jié)構(gòu)，是由角鋼組焊而成，四周為主角鋼，其余角鋼為副角鋼。每個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)內(nèi)部都設(shè)有與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)等長的爬梯，因不受力，模型中忽略爬梯。

（2）起重臂橫截面為等腰三角形平面桁架結(jié)構(gòu)，斜腹桿和水平斜腹桿為無縫鋼管。上弦桿為鋼管，兩根下弦桿為實心方管，下弦桿的上表面及側(cè)面，安裝使用時須保證分別平整，以使變幅小車平穩(wěn)移動。起重臂整體分為內(nèi)跨、外跨和外伸段三部分。

（3）回轉(zhuǎn)臺由上轉(zhuǎn)臺和下轉(zhuǎn)臺兩部分組成。下轉(zhuǎn)臺與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)材料相同，上轉(zhuǎn)臺的上部分由實心方管等組焊而成，其頂部四角用銷軸與塔帽連接，兩側(cè)分別與起重臂和平衡臂用鉸鏈連接。對模型進行簡化，忽略回轉(zhuǎn)支撐。

（4）塔帽是由角鋼組焊而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，且與塔身角鋼材料相同，底部與回轉(zhuǎn)塔身連接，頂部設(shè)有鉸支座，分別與平衡臂拉桿、起重臂拉桿鉸接。

（5）平衡臂是由工字鋼和鋼棒組焊而成的平面桁架結(jié)構(gòu)，臂的尾端放置混凝土平衡重，臂的上平面設(shè)有行走平臺，用于檢修和安裝，行走平臺的兩側(cè)設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)護欄，材料為鋼棒。后端通過兩根鋼索與塔帽連接，前端用銷軸與上轉(zhuǎn)臺連接。

（6）司機室設(shè)置在回轉(zhuǎn)塔身的左前方，它的右前方為起重臂，右后方為平衡臂，操縱室內(nèi)寬敞明亮，視野開闊，便于對地面實施操作。因為司機室重量遠小于自重，所以忽略其對整體模型的影響。

（7）測拉桿的目的為提高塔身的穩(wěn)定性，將塔身固定在建筑物上，本模型假設(shè)側(cè)拉桿為固定約束。

（8）塔架下端、斜撐桿與地面混凝土為固定約束。

三、風(fēng)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

1.風(fēng)載荷計算

塔機一般在露天環(huán)境下工作，且塔身較高，受風(fēng)荷載影響較大，所以必須考慮風(fēng)荷載的作用。風(fēng)載為任意方向作用的水平力，假設(shè)風(fēng)載作用于塔機的一面。風(fēng)載分為工作狀態(tài)風(fēng)載和非工作狀態(tài)風(fēng)載，工作狀態(tài)風(fēng)載是指塔式起重機在正常工作情況下所能承受的最大計算風(fēng)力。本文手動計算風(fēng)載荷，根據(jù)構(gòu)件側(cè)面積計算出所受風(fēng)力，然后按最不利方向平均施加在節(jié)點上。最大風(fēng)載荷計算如下表：

塔機上位置 面積約/M2 所受力/N 節(jié)點數(shù) 各節(jié)點所受力/N

塔身 25 8000 240 42

塔帽 5 1500 33 50

平衡臂 5 1500 16 100

起重臂 20 6000 120 50

2.施加荷載求解

在起重臂端點位置加2t的重物，由于移動小車有四個輪，根據(jù)圣維南原理和虛功原理可得，由于臂長遠大于小車長度，因此將外載荷平均分配到小車附近的4個節(jié)點上，這樣僅對作用點臨近的應(yīng)力有影響，對整體結(jié)構(gòu)受力情況沒有影響所以將20000N力近似作用在四個節(jié)點上，每個節(jié)點承受5000N。

3.結(jié)果分析

在最大風(fēng)載作用下，起重臂端點處位移最大為43cm，通過計算，轉(zhuǎn)角約0.5度，滿足使用要求。最大應(yīng)力發(fā)生在起重臂根部，且最大為95MPa，比自重下大5MPa，與實際情況相符合。所以該結(jié)構(gòu)在最大風(fēng)載作用下是安全可靠的。

分析塔身和塔頂應(yīng)力分布圖可得，塔頂靠近起重臂方向處應(yīng)力較大，但遠小于極限強度，所以結(jié)構(gòu)安全且應(yīng)該加強塔頂與塔身靠近起重臂方向的主撐桿的剛度。

四、結(jié)論

①綜合以上分析，QTZ40塔機各項參數(shù)均滿足極限要求。最大應(yīng)力為110兆帕，低于極限強度。最大位移42cm，小于極限位移。該機性能優(yōu)良可靠，造型美觀，結(jié)構(gòu)簡單實用，是先進的安全起重機。

②有限元分析模型的優(yōu)點是可以更精確的建立仿真建模，該軟件由靈活的、多個可擴展的模塊組成，因此可以滿足各行業(yè)的工程計算需要。

參考文獻

[1]谷禮新，鄭海斌，彭衛(wèi)平等.塔式起重機起重臂結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性有限元分析[J].機電工程技術(shù)，2005，34（8）：27-28.

[2]張毅.基于ANSYS塔式起重機起重臂多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2010.5.

（作者單位：武漢科技大學(xué)理學(xué)院）