塔式起重機塔帽靜力學有限元分析

陳 崢，董浩明，饒 剛，余 震

(1 武漢市特種設備監督檢驗所，湖北 武漢 430040； 2 武漢科技大學 機械自動化學院，湖北 武漢 430081)

全壽命評估

塔式起重機塔帽靜力學有限元分析

陳 崢1，董浩明1，饒 剛2，余 震2

(1 武漢市特種設備監督檢驗所，湖北 武漢 430040； 2 武漢科技大學 機械自動化學院，湖北 武漢 430081)

以塔式起重機的塔帽為研究對象，運用有限元分析軟件hypermesh以及三維模型設計軟件solidworks建立起整體結構的有限元模型，討論了塔式起重機在各種工況中的臨界條件下的簡化，載荷的確定和重點部位的應力分析，分析所得結論可以結合hypermesh這一有限元分析軟件建立和該設備相關的有限元程序，將幾何數據進行參數化處理之后，可投入到起重機的初步設計和相關產品的系列化設計以及模擬前的檢測實驗中去。

塔式起重機； 有限元分析； 靜力學分析

塔式起重機在建筑工程當中是常用的起重設備，塔機的主要骨架由金屬構成，該金屬結構的強度和剛度決定了整個設備在工程運用當中的可靠性和安全性[1-3]。因而對于該結構的各個部位的應力分析就顯得尤為重要。筆者運用有限元分析軟件hypermesh[4]建立了塔式起重機整體結構的有限元模型，并對其進行了有效的靜力學計算分析。在此基礎上得到該結構在靜載荷作用下發生的應力分布情況。

1 塔式起重機塔帽有限元模型建立

1.1 塔式起重機塔帽的三維幾何造型

根據塔式起重機的設計要求，在三維造型軟件solidworks嚴格按照規定尺寸建立塔機的幾何模型(圖1)。為了讓模型的建立更加合理，在建立塔式起重機幾何模型的過程中忽略結構阻尼，同時不考慮非線性的關系和過渡的圓角和倒角，模型的建立應準確反映實體機構的特點，模擬受力應與塔式起重機工作狀態保持一致，并對幾何模型進行必要的簡化處理。

1.2 塔式起重機的有限元模型

在solidworks三維造型軟件中將塔機的幾何模型完整建立后，存儲為IGS文件格式，導入到有限元軟件hypermesh中，運用2D網格建立精確的有限元網格模型(圖2)。

圖 1 塔帽三維模型

圖 2 塔機有限元模型

2 塔式起重機的工況分類

本研究主要分析塔帽塔頂和平衡臂與起重臂之間由拉桿產生的拉力大小和方向，現根據分析的具體目標將塔式起重機的各類工況進行分類(表1)。

表1 塔式起重機工作工況

為了保證整個模型分析的準確性和便捷性，將整個塔吊的布局簡化成平面來進行分析(圖3)，圖中標明的各個數據均進行了圓整處理(長度單位：mm)。

圖 3 塔機結構布局平面示意圖

為了方便對塔機進行整體力學分析和各種工況的線性疊加，首先將各種工況細分為五種：(1)配重臂的自重使拉桿產生的拉力；(2)配重塊的自重使拉桿產生的拉力；(3)起吊臂的自重使拉桿產生的拉力；(4)小車伸出幅度最小時(14.6 m)跨端滿負荷起重時使拉桿產生的拉力；(5)小車伸出幅度最大時(50 m)跨端滿負荷起重時使拉桿產生的拉力。

將連接塔帽頂端與平衡臂及平衡塊的拉桿拉力稱為F；將連接塔帽頂端與起重臂且相對靠近塔帽的拉桿所產生的拉力稱為F1；將連接塔帽頂端與起重臂且相對遠離塔帽的拉桿所產生的拉力稱為F2；在進行塔機受力分析時，平衡臂所產生的橫向與縱向的內應力分別稱為FX,Fy(圖4)。

圖 4 塔機受力分析

對工況細分，進行靜力學分析，結合分析得出的數據將各種工況加以復合，得到與實際情況相貼合的塔機在載荷作用下的力學分析結果。

3 不同工況下的載荷分析及結果

圖5是塔式起重機受力時的力學性能曲線，由圖可知，當幅度最小(14.6m)時臨界狀態下的起重重量為6t，幅度達到最大(50m)時，臨界狀態下的起重重量為2.5t。

圖 5 塔式起重機受力性能曲線

3.1 各個工況的計算過程及結果

工況1：配重臂自重使拉桿產生的拉力

該工況下，平衡臂自重產生的相應的力為F，可以將整個平衡臂看作是一個q=1452N/m的均布載荷，其受力分析見圖6，圖中，lx=10m，lz=13m，θ=25°。

圖 6 工況1受力分析

由力矩平衡知：∑M=0，得到下列方程

(1)

解得：F=29038N。

工況2：配重塊自重使拉桿產生的拉力

該工況下，平衡臂上的重塊產生的相應力為F，此時可將配重臂本身看做是一個輕桿，并將整個配重塊看做是一個集中載荷，受力分析見圖7。

圖 7 工況2受力分析

根據∑M=0得：

Fsin25°lx-Glx=0

(2)

根據實際工作載荷知：G=120 000N,計算得：F=283 944N。

工況3：起吊臂自重使拉桿產生的拉力

在該工況下，起重臂自重產生的相應的力為F1與F2，可以將平衡臂看做是一個q=850N/m的均布載荷，如圖找到距離端點距離為20m的節點O1，以此為節點將平衡臂分為兩段進行分析(圖8)。

圖 8 工況3受力分析

分段計算，先計算F2，根據受力分析得:

∑Fy=0F2·sin6°+Fy-ql=0

(3)

∑FX=0,F2·cos6°-Fx=0

(4)

(5)

其中，q=850N/m,l1=17m，l=30m，計算得：F2=215 252N.FX=214 072N,FY=3 000N。

再分段計算F1，根據受力分析圖得：

∑M=0,

(6)

其中，l2=13m，l3=20m，計算得：F1=25 990N

工況4：小車伸出幅度最小時(14.6m)跨端滿負荷起重時使拉桿產生的拉力

在此工況下，載荷幅度達到最小(14.6m)時，產生相應的F1,F2,同樣將整個起重臂看做是一個輕桿，在起重臂上找到一個距起重臂左端點14m的節點O2，以此為節點將平衡臂分為兩段來分析，先分段分析F2。

圖 9 工況4受力分析

∑FX=0,F2cos6°-FX=0

(7)

∑FY=0,F2sin6°+FY-T=0

(8)

∑M=0,F2·sin6×l5-T·l6=0

(9)

其中，l5=23m，l6=0.6m，T=60 000N；計算得：F2=14 974N，FX=14 892N，FY=58 434N。

再分段計算F1，其受力分析如圖9所示,根據∑M=0 得

F1sin19°×l2-Fy·l7=0

(10)

其中l7=14m，計算得：F1=193 290N。

工況5：小車伸出幅度最大時(50m)跨端滿負荷起重時使拉桿產生的拉力

該工況下，幅度達到最大(50m)時，重物產生相應的F1,F2，此時將整個起重臂看做是一個輕桿，同樣進行分段的分析，先分析F2，其受力分析見圖10。

圖10 工況5受力分析

由圖10，∑FX=0，∑FY=0，∑M=0得

F2cos6°-FX=0，

F2sin6°+Fy-T=0，

F2sin6°×l1-T·l=0 (11)

其中，T=15 000N，計算得：F2=253 238N，FX=251 850N，FY=11 470N，再分段計算F1，受力分析見圖11。由∑M=0得

F1·sin19×l2-FY×l3=0

(12)

計算得：F1=54 201N。

3.2 有限元分析結果

將上述進行分類過的各個工況進行整理和有效的復合，再將數據載入hypermesh有限元分析軟件中可以得到圖12、13的結果。

圖11 載荷工況5下塔帽應力及位移分布

圖12 載荷工況7下塔帽最大應力局部放大圖

圖13 載荷工況7下拉板獨立零件應力分布圖

有了塔機各工況下的有限元分析結果之后，需要對塔帽應力最大的重點部位進行分析和研究，以及做出結構上的改良，并應用該仿真結果對現場塔機的檢測進行指導，明確重點檢測部位并分析檢測結果的合理性。

4 結論

通過對上述各個工況的分析可知，運用hypermesh有限元分析軟件計算所得的結果可以全面且清晰的了解塔式起重機各個部分的應力情況，直接可以看出結構的最大應力，同樣可以看到各部位的結構應力和位移分布。利用hypermesh軟件將塔式起重機相關幾何尺寸進行參數化后可用于塔式起重機的初步設計和產品系列化設計以及產品檢測前的模擬實驗。

[1] 田金金,陳志平,張巨勇，等.橋式起重機安全檢測法綜述及展望[J].機電工程,2009, 26(03): 1-5.

[2] 金福民.在線監測安全評估系統在港口機械金屬結構應力中的應用[J].中國新技術新產品,2014,19: 042.

[3] 徐格寧.機械裝備金屬結構設計[M].北京:機械工業出版社,2009.

[4] 王鈺棟.HyperMesh應用技巧于高級實例[M].北京:機械工業出版社,2012.

[責任編校： 張巖芳]

Finite Element Analysis of Static for Tower Ctane

CHEN Zheng1, DONG Haoming1, RAO Gang2, YU Zhen2

(1WuhanSpecialEquipmentSupervisionandInspectionInstitution,Wuhan430040,China；2CollegeofMachineryandAutomation,WuhanUniv.ofSci.andTech.,Wuhan430081,China)

With tower crane as the research object, using the finite element analysis software and design software and solidworks( the three-dimensional finite element model) to build the overall structure of the model , the paper discussed simplification of the tower crane under a variety of conditions in critical condition, determination of the load and stress analysis of the focused parts. The conclusions of the analysis can be combined with the finite element analysis software to build the finite element program associated with the equipment. The processed geometric parameters of the data can be put to preliminary design of cranes, a series of design of related products and testing laboratory simulation of the device before going for the practical application in the project.

tower crane；finite element analysis； static analysis

2015-04-20

冶金裝備及其控制教育部重點實驗室開放基金資助項目(2013A07)；

武漢市特種設備監督檢驗所資助項目(201242011 2000191)

陳 崢(1975-)，男，湖北武漢人，武漢市特種設備監督檢驗所高級工程師，研究方向為特種設備檢測及安

1003-4684(2015)04-0082-04

TH21

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