基于ANSYS的塔式起重機結構有限元分析計算

王 宇，盧 玲，李文韜

（吉林電子信息職業技術學院，吉林 吉林 132021）

0 引言

塔式起重機在工業起重與建筑施工中的應用非常廣泛，鋼結構作為其重要組成部分，承受著所有的外部載荷以及自身的重量，因此其結構強度及剛度情況對塔式起重機的安全運行至關重要。

本文以某型塔式起重機為例，利用ANSYS軟件建立其有限元模型，并對之進行分析計算，快速而準確地實現了對此型塔機強度、剛度方面的校核。

1 有限元模型的建立

1．1 單元類型的選擇

塔式起重機為典型的桁架結構，由塔臂、塔身與塔頂等部分組成，其單元類型的選擇不僅影響到結構離散，而且還影響到求解的速度與精度。結合塔機工作時實際的受力狀態，將位于塔臂、塔身等處的主要桿件處理為梁單元Beam188，起重臂與平衡臂的斜拉索處理為桿單元Link8，加載質量單元于變幅機構、回轉機構等質量集中處。

1．2 模型的簡化處理

結構的計算模型既要控制規模、又要能保證計算結果的精度，使分析計算在有限的條件下更快、更好地完成，為此在建立該型塔機的有限元模型時做了一些簡化處理：①將司機室等對分析計算結果影響較小的結構采取忽略處理；②把吊重和吊鉤、變幅小車的質量一并看作起升載荷。

1．3 建立計算模型

本塔式起重機所用材料的彈性模量為210GPa、泊松比為0．3、密度為7 800kg／m3。采用編制 ANSYS命令流的方式建立了如圖1所示的塔式起重機有限元計算模型，其節點數為357、單元數為537。

2 邊界條件的處理

2．1 載荷

本次設計塔機所受載荷只考慮起升載荷與自重載荷，此處通過集中力方式施加起升載荷，而由材料密度、重力加速度與質量單元施加自重載荷。

圖1 塔式起重機有限元模型圖

2．2 約束

對計算模型進行約束應以符合實際工作情況為前提，因塔身底部與地基連接且剛度較大，故將其4個節點的所有自由度全部約束，起重臂與平衡臂于根部連接回轉節，因而在臂架起升平面視為固定支座。

3 計算結果及校核

3．1 有限元分析計算結果

在此選取一種塔式起重機在最危險工作狀態下并具有一定安全系數的典型情況進行分析計算。圖2為塔機應力云圖，可看到最大應力值與作用位置。圖3為塔機位移云圖，可看到最大位移值與具體發生位置。

圖2 塔式起重機應力云圖

3．2 強度校核

為使塔式起重機安全工作，其構件應滿足強度條件：

σxd≤［σ］。

其中：σxd為相當應力；［σ］為材料的許用應力。

因該型塔機材料為塑性材料，而第三強度理論偏向于安全，第四強度理論則與試驗資料更為吻合，所以相當應力在此按形狀改變比能理論確定為σxd4。通過圖2可知，塔式起重機材料滿足要求。

圖3 塔式起重機位移云圖

3．3 剛度校核

在工程實際中，結構除應滿足強度條件外，還要滿足剛度條件，通常要求其最大撓度或最大轉角不得超過某一規定值，即：

ymax≤［y］。

θmax≤［θ］。

其中：［y］為構件的許用撓度；［θ］為構件的許用轉角。

在此將塔機結構視為整根梁，校核時只需考慮撓度條件，通過圖3可知，此塔機結構也能滿足要求。

4 結語

從該型塔式起重機的有限元分析過程與計算結果可以總結出以下兩點：

（1）有限元法為結構設計與結構分析的有效方法，它易于將復雜的工程問題變為簡便的分析計算。

（2）此次分析中存在著諸如部分載荷對塔機結構的影響被忽略、模型簡化相對簡單等不足，有待于日后繼續研究。

［1］ 張孟輝，殷玉楓，呂西波，等．基于ANSYS的塔式起重機結構有限元分析［J］．起重運輸機械，2012（10）：36－39．

［2］ 張楨，馬俊．基于ANSYS的塔式起重機建模與分析［J］．建筑機械化，2010（8）：58－60．

［3］ 孫訓方，方孝淑，關來泰．材料力學［M］．北京：高等教育出版社，2009．