塔式起重機外掛內(nèi)爬支承體系參數(shù)化設(shè)計

王 連

(1.沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.撫順永茂建筑機械有限公司，遼寧 撫順 113126)

塔式起重機外掛內(nèi)爬支承體系參數(shù)化設(shè)計

王 連1,2

(1.沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.撫順永茂建筑機械有限公司，遼寧 撫順 113126)

針對外掛內(nèi)爬式塔機支承系統(tǒng)的計算問題，開發(fā)了通用的支承結(jié)構(gòu)參數(shù)化計算系統(tǒng)。利用ANSYS軟件的二次開發(fā)功能，并與編程軟件Visual Basic相結(jié)合，通過人機操作界面輸入計算參數(shù)，由內(nèi)部程序輸出命令流調(diào)用ANSYS軟件，系統(tǒng)自動完成計算并輸出計算結(jié)果。為了驗證系統(tǒng)計算的準確性和可行性，本文以撫順永茂建筑機械有限公司的STL720動臂內(nèi)爬式塔機為例，分析了支承結(jié)構(gòu)的強度，利用手動計算值與軟件輸出值進行比較，求出誤差的大小，驗證計算系統(tǒng)的正確性及可靠性。

內(nèi)爬式塔式起重機；外掛內(nèi)爬；參數(shù)化；有限元；命令流

近年來，高層建筑越來越多的走入人們的視線，建筑物高度逐漸提升，采用何種施工方案成為人們關(guān)注的焦點。外掛內(nèi)爬塔機以其自身的特點，在施工中應用越來越多。該種安裝形式塔機的支承體系設(shè)計也逐漸成為人們關(guān)注的重點。由于塔機的受力工況種類多，不同的支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及附加彎矩的影響，計算量頗大，在建模和加載時出現(xiàn)錯誤的概率就很高。

本文利用參數(shù)化設(shè)計方法，基于Visual Basic平臺，對ANSYS有限元分析軟件二次開發(fā)，實現(xiàn)只需輸入少量計算參數(shù)即可完成對支承結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析，可以直接讀出計算結(jié)果。此軟件提高了工作效率和計算精度，充分利用了模型的可修改性和模型的重復利用性。減少人力資源的浪費，加快結(jié)構(gòu)設(shè)計的步伐，提高科技的先進性。

1 參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計是以一種全新的思維方式來進行產(chǎn)品的創(chuàng)建和修改設(shè)計的方法，它用約束來表達產(chǎn)品幾何模型的形狀特征，定義一組參數(shù)以控制設(shè)計結(jié)果，從而能夠通過調(diào)整參數(shù)來修改設(shè)計模型，并能方便地創(chuàng)建一系列在形狀或功能上相似的設(shè)計方案。

參數(shù)化所利用的軟件有：ANSYS。參數(shù)化設(shè)計所應用的語言有：APDL（ANSYS Parameter Design Language）、Visual Basic（以下簡稱VB）。

2 外掛內(nèi)爬塔機支承體系結(jié)構(gòu)特點

內(nèi)爬塔機的爬升是依靠液壓頂升油缸完成的，其頂升油缸支撐在內(nèi)爬框架上，傳統(tǒng)內(nèi)爬塔機的內(nèi)爬框安裝在預先放置在建筑物內(nèi)的鋼梁上，鋼梁由建筑剪力墻或樓板支撐。而外掛內(nèi)爬塔機，是在建筑物外部搭建出支撐系統(tǒng)，將內(nèi)爬塔機安裝在支撐系統(tǒng)上，從而實現(xiàn)了由內(nèi)至外的轉(zhuǎn)換。

外掛支承系統(tǒng)由三套支承框架組成，塔機作業(yè)時兩套支承框架協(xié)同工作，塔機爬升時第三套支承框架交替工作，如圖1所示。支承橫梁通常為箱形結(jié)構(gòu)，其一端通過鉸座與核心筒壁相連，另一端與斜拉桿鉸接。

3 參數(shù)化建模整體流程

外掛內(nèi)爬塔機支承體系參數(shù)化計算系統(tǒng)主要是利用ANSYS提供的APDL語言對ANSYS進行封裝，并且結(jié)合了Visual Basic 6.0的可視化開發(fā)軟件，實現(xiàn)了支承體系結(jié)構(gòu)分析的可視化輸入和可視化輸出。參數(shù)化計算系統(tǒng)整體操作流程如2所示。

圖1 外掛內(nèi)爬塔機支承體系構(gòu)成

圖2 參數(shù)化整體操作流程圖

4 外掛內(nèi)爬塔機支承體系參數(shù)化計算系統(tǒng)

按照參數(shù)化整體流程分配可確定具體流程：第一步：建立人機交互界面，輸入計算所需信息；第二步形成APDL命令流，按照SNSYS計算程序的順序，并利用VB內(nèi)部Print功能，將從操作界面內(nèi)輸入的各項信息整合到txt文本當中，生成APDL命令流文件；第三步：利用VB中的Shell函數(shù)來啟動ANSYS軟件，讀取txt中生成的APDL命令流，按命令流的順序分別生成模型、劃分網(wǎng)格、加載；第四步：顯示計算結(jié)果并判定最終計算結(jié)論。

4.1 建立主操作界面

主界面中有2個選項，其中“支承體系整體計算”功能就是對支承體系整體進行靜態(tài)分析，包括支承體系模型建立、作用載荷計算和計算結(jié)果顯示；本文僅以“支承體系整體計算”為例進行論述。單擊“支承體系整體計算”按鈕，系統(tǒng)進入支承體系模型和載荷計算界面，在彈出的窗口中設(shè)置了2個按鈕，分別是：控制支承體系模型建立、支承體系載荷的計算。有限元模型建立界面如圖3所示。

圖3 有限元模型建立界面

4.2 材料參數(shù)設(shè)定

根據(jù)需要，材料參數(shù)界面中設(shè)計的材料參數(shù)輸入框包含Beam188和 Link8兩種單元。

執(zhí)行的程序代碼：

程序中使用了Output方式輸出，可以實現(xiàn)文件內(nèi)容的覆蓋，從而達到命令流的不斷更新。

4.3 支承體系結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

保存材料參數(shù)后，需要進入“支承體系結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定”。系統(tǒng)中包含了三種形式的支承結(jié)構(gòu)，需要按照操作要求選擇分析對象。通過一個Combobox控件來選擇支承結(jié)構(gòu)類型（上拉式和下支式和上拉下支式）。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定界面如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定界面

以上程序中，通過控制Label和Text 控件的Visible和Enabled屬性值，使其與不同支撐形式相對應。

輸入?yún)?shù)后，點擊“保存”按鈕，同樣利用Open…...Output和Print語句將參數(shù)輸出到文本文件中。但是每種支撐形式需要的參數(shù)不同，因此程序代碼也不相同。

其中上拉式代碼為：

由于內(nèi)爬式塔機在爬升及工作過程中由兩道內(nèi)爬框參與工作，因此本系統(tǒng)中給出兩道參數(shù)設(shè)定。并在第二道支承體系參數(shù)設(shè)定時增加“內(nèi)爬框間距參數(shù)”的設(shè)定。

4.4 建立材料庫

在定義單元編號時，統(tǒng)一規(guī)定編號，后續(xù)程序調(diào)用材料庫即可。

4.5 桿件參數(shù)設(shè)定

在此界面中設(shè)置了“桿件參數(shù)”按鈕，設(shè)定桿件型號（圖5）。第一道及第二道的桿件參數(shù)設(shè)定方法相同。此界面是對支承系統(tǒng)的各個桿件材料進行定義，利用SStab控件來實現(xiàn)依次輸入每部分桿件的型號尺寸。

圖5 桿件參數(shù)設(shè)定界面

本計算系統(tǒng)中加入了自動編號功能，不僅使單元編號定義的更準確，而且也使操作更方便，避免了人為操作的錯誤機率。在程序運行界面里，點擊“保存”按鈕，通過跳轉(zhuǎn)語句，SStab會自動進行跳轉(zhuǎn)，進入到下一桿件的界面。程序跳轉(zhuǎn)語句為：SSTab1.Tab = SSTab1.Tab + 1。

全部的桿件定義結(jié)束后，最終通過程序?qū)⒚坎糠值奈谋疚募系揭黄穑鳛樵撝С畜w系的桿件參數(shù)文件。

對于第一道、第二道外懸爬支承體系采用相同的處理方法，分別存儲為上部支桿及下部支桿。

通過上述各項程序，建立了外懸爬支承體系參數(shù)化模型的具體結(jié)構(gòu)以及兩道支承體系的相關(guān)數(shù)據(jù)。

上述介紹即為外懸爬支承體系桿件參數(shù)的選擇，用戶可根據(jù)實際施工中要求選擇不同的支撐形式。

4.6 支承體系載荷計算

內(nèi)爬塔機在工作時作用在支承體系上的載荷包括塔機自重載荷、由塔機及吊載偏心產(chǎn)生的載荷、作用在塔機上風載荷、塔機回轉(zhuǎn)慣性力和支承體系自身產(chǎn)生的重力。本計算系統(tǒng)可提供自定義內(nèi)爬間距時的載荷計算，包括風載荷及內(nèi)爬反力。支承體系施加載荷計算界面如圖6所示。

圖6 支護體系施加載荷計算界面

4.7 施加載荷

塔機在工作狀態(tài)及非工作狀態(tài)時可自由回轉(zhuǎn)，因此載荷作用點隨臂架回轉(zhuǎn)角度不同及水平力作用方向不同而不同。根據(jù)臂架回轉(zhuǎn)角度的不同，分別施加載荷，載荷界面如圖7所示。

圖7 施加載荷界面

根據(jù)臂架角度不同以及垂直力支撐點不同，計算工況分為六個工況，即臂架與塔身中心線0°、45°、90°，以及垂直力由四點支撐、二點支撐共6個組合工況。

點擊“進入ANSYS分析”，系統(tǒng)啟動ANSYS有限元計算軟件，并將前面各節(jié)點輸出的文本文件逐一輸入ANSYS中，生成載荷文本文件，利用open及append命令，生產(chǎn)zaihe.txt文件，將文本文件寫入載荷命令流。

將載荷命令寫入到zaihe模塊中，利用dk命令在關(guān)鍵點上添加約束，利用fk命令在關(guān)鍵點上加載。

程序進入后處理求解階段，讀入命令流，加載并運行，生成計算結(jié)果。每個工況計算完成后，操作者可通過點擊界面中的“查看分析結(jié)果”，查看每個工況的計算結(jié)果。每計算完一個工況，界面中的數(shù)據(jù)會自動增加一組，直到最后一個工況全部計算完成后，分析結(jié)果中會自動填寫全部計算數(shù)據(jù)。

上述過程即為載荷模塊的說明，全部計算完成后，點擊“返回主界面”，即可返回至主界面。

5 結(jié) 語

筆者以STL720內(nèi)爬塔機為例，通過對支撐鋼梁手動計算得出最大應力為121MPa，軟件分析計算結(jié)果顯示最大應力值為131MPa,絕對誤差為10MPa，相對誤差為7.6%，對計算結(jié)果進行分析，因手動計算時，垂直力中直接采用廠家提供的參數(shù)，未包含內(nèi)爬框自身的重量，垂直力低于實際值，而軟件在加載時已自動加載內(nèi)爬框的重量載荷。因此軟件分析更為精確，實現(xiàn)計算結(jié)果的自動輸出，并且結(jié)果為正確可靠。

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（編輯 賈澤輝）

External support system parametric design of tower crane

WANG Lian

TH212；TH213.3

B

1001-1366(2015)09-0033-04

2015－07－16