塔式起重機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化程序開發(fā)★

歐陽(yáng)天云 肖唐財(cái) 劉浩軒 沈迎詠 朱 淼

(武漢科技大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430081)

塔式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱塔機(jī))是建筑施工中的重要起重設(shè)備，隨著塔機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，其結(jié)構(gòu)不斷大型化，隨之而來(lái)的安全性問(wèn)題也越來(lái)越重要。塔機(jī)為金屬桁架結(jié)構(gòu)，其安全性與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度分析緊密聯(lián)系，因此結(jié)構(gòu)應(yīng)力與變形分析是塔機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)的一項(xiàng)重要內(nèi)容［1-4］。有限元理論的完善為解決這一問(wèn)題提供了有效途徑。本文以QTZ63 塔式起重機(jī)為例，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS 建立了塔機(jī)的整體結(jié)構(gòu)模型，對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、載荷處理、工況分析、求解過(guò)程進(jìn)行了探討，重點(diǎn)校核分析了塔機(jī)在多種復(fù)雜工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度，并結(jié)合Visual Basic6.0 語(yǔ)言開發(fā)集參數(shù)化輸入、多工況選擇、動(dòng)態(tài)計(jì)算、結(jié)果對(duì)比與保存、自動(dòng)查錯(cuò)功能的可視化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，其成果可為同類工程提供參考。

1 模型建立

根據(jù)GB/T 13752—92 塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)的規(guī)定，塔機(jī)必須工作在材料彈性范圍內(nèi)，且對(duì)于一般的中小型塔機(jī)不必考慮非線性因素［5，6］，本文在建模、加載及求解過(guò)程中均只考慮彈性情況，不考慮材料塑性的影響［7-9］。

塔機(jī)采用Q235 鋼，該材料彈性模量E=210 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 800 kg/m3。塔身、吊臂、配重臂、塔帽、懸索等各部件尺寸如表1 所示。

表1 各部件型材表

模型沿起重臂方向?yàn)閄 方向，豎直向上為Y 方向。模型中塔身、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、起重臂、配重臂、塔帽的主要桿件采用Beam188 單元進(jìn)行模擬，兩拉桿采用Link10 單元進(jìn)行模擬。該模型共生成節(jié)點(diǎn)12 597 個(gè)，單元12 996 個(gè)。

2 工況設(shè)計(jì)

2.1 載荷說(shuō)明

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，塔機(jī)所受載荷分為四類:基本載荷，附加載荷，特殊載荷和其他載荷。本文進(jìn)行工況分析時(shí)僅考慮前三類載荷。

1)基本載荷:自重載荷、起升載荷。其中自重載荷Fg為塔機(jī)各部件重力，以重力加速度形式施加于模型上;起升載荷FQ為塔機(jī)工作狀態(tài)起吊重物W 與變幅小車G 及吊鉤重力D 之和，F(xiàn)Q=W+G+D，G=235 kg，D=220 kg。小車車輪與起重臂下弦桿四點(diǎn)接觸，將FQ分配到臨近的四個(gè)節(jié)點(diǎn)上，左右節(jié)點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)，F(xiàn)Q距離右端兩節(jié)點(diǎn)的距離為X，由靜力平衡可得施加于右端兩節(jié)點(diǎn)力為FQ·X/(2L)，施加于左端兩節(jié)點(diǎn)力為FQ·(X－ L)/(2L)。

2)附加載荷:工作狀態(tài)風(fēng)載荷。其中風(fēng)載荷Fw由《規(guī)范》手動(dòng)計(jì)算得到，F(xiàn)w=CwPwA，其中，Cw為風(fēng)力系數(shù);Pw為計(jì)算風(fēng)壓，Pa;A 為迎風(fēng)面積，m2。由《規(guī)范》計(jì)算風(fēng)載具體值如表2 所示。沿－z 方向施加風(fēng)載荷，此時(shí)塔機(jī)迎風(fēng)面積最大，為最不利狀態(tài)。

3)特殊載荷:非工作狀態(tài)風(fēng)載荷。計(jì)算及施加方法同工作狀態(tài)風(fēng)載荷。

由規(guī)范計(jì)算風(fēng)載荷具體值如表2 所示。

表2 風(fēng)載荷計(jì)算參數(shù)

表中工作狀態(tài)下計(jì)算風(fēng)壓Pw=250 Pa 為《規(guī)范》中給定工作狀態(tài)最大計(jì)算風(fēng)壓;非工作狀態(tài)時(shí)，塔身高度處于0 m～20 m 之間，其他各部分高度在20 m～100 m 之間，Pw=1 100 Pa。考慮塔機(jī)各部件結(jié)構(gòu)形式選取不同，塔身、過(guò)渡段、塔頂為型鋼制成的平面桁架，風(fēng)力系數(shù)Cw=1.6，起重臂、配重臂為圓管及單片結(jié)構(gòu)，Cw=1.2。

2.2 典型工況設(shè)計(jì)

考慮到塔機(jī)所受載荷的各種組合，根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，考慮以下兩類工況:第一類工況為動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，塔機(jī)處于工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)有風(fēng);第二類工況為暴風(fēng)侵襲，塔機(jī)處于非工作狀態(tài)。在這兩類工況下，考慮塔機(jī)在不同起吊位置處起吊重量不同，本文根據(jù)塔機(jī)實(shí)際使用情況又將這兩類工況分別細(xì)分為6 種工況，如表3所示。

暴風(fēng)侵襲時(shí)塔機(jī)處于非工作狀態(tài)，起重臂未吊掛重物，故表3中幅度與起重量項(xiàng)目欄未填寫。

根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，塔機(jī)所受載荷有A，B，C 三種組合。其中基本載荷的各種組合為組合A，基本載荷與附加載荷的各種組合為組合B，附加載荷與特殊載荷的各種組合為組合C。則工況1～工況5 塔機(jī)所受載荷為組合B，工況6 塔機(jī)所受荷載為組合C。

表3 具體工況分類

3 計(jì)算分析

3.1 強(qiáng)度分析

計(jì)算得到6 種工況下的應(yīng)力結(jié)果如表4 所示。

表4 各工況下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及其出現(xiàn)部位 MPa

以工況5 為例，其應(yīng)力云圖如圖1 所示。

根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，組合B 的許用應(yīng)力為［σ］=σs/ns=235/1.34=175 MPa，組合C 的許用應(yīng)力為［σ］=σs/ns=235/1.22=192 MPa，工況1～工況5 中的最大應(yīng)力128 MPa ＜175 MPa，工況6 的最大應(yīng)力106 MPa ＜192 MPa。則塔機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 靜剛度分析

各工況下的位移結(jié)果如表5 所示，以工況5 為例，位移云圖如圖2 所示。

圖1 工況5 應(yīng)力云圖

圖2 工況5 位移云圖

表5 各工況下結(jié)構(gòu)位移 mm

根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，塔機(jī)在額定起升載荷作用下，塔身在起重臂連接處的水平靜位移Δx≤h/100，其中h 為塔身與起重臂連接處至直接支撐整個(gè)塔身的平面的距離。工作狀態(tài)的前5 種工況中Δxmax=155.44 mm，h/100=350 mm，則塔機(jī)靜剛度滿足設(shè)計(jì)要求。由表5 可以看出在工作狀態(tài)下塔機(jī)y 方向的最大位移接近其最大總位移，說(shuō)明在工作狀態(tài)時(shí)y 方向位移起控制作用;非工作狀態(tài)下z 方向最大位移接近最大總位移，這與非工作狀態(tài)時(shí)塔機(jī)受到負(fù)z 方向風(fēng)載作用，主要沿負(fù)z 方向偏移的實(shí)際相符。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)

在塔機(jī)有限元強(qiáng)度、剛度的分析基礎(chǔ)上，以各桿截面參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以塔機(jī)自重為目標(biāo)變量，研究塔機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用參數(shù)化建模方法，利用ANSYS 的優(yōu)化模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用Visual Basic6.0 語(yǔ)言設(shè)計(jì)可視化界面，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用Visual Basic6.0 語(yǔ)言進(jìn)行可視化界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)主界面和優(yōu)化結(jié)果界面如圖4 和圖5 所示。

圖4 設(shè)計(jì)變量參數(shù)主界面

圖5 優(yōu)化結(jié)果界面

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用ANSYS 軟件建立了QTZ63 塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和靜剛度分析，得到了塔機(jī)在不同工況下的應(yīng)力和位移分布規(guī)律，為塔機(jī)的合理設(shè)計(jì)提供參考。

2)在有限元計(jì)算基礎(chǔ)上，利用可視化語(yǔ)言Visual Basic6.0在Windows 環(huán)境下進(jìn)行二次開發(fā)，以截面參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以塔機(jī)自重為目標(biāo)變量，開發(fā)得到塔機(jī)的截面設(shè)計(jì)優(yōu)化程序。該系統(tǒng)具有參數(shù)輸入直觀、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，其成果可為同類工程提供參考。

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