塔式起重機起升機構試驗臺基于有限單元法的結構靜應力分析

【摘 要】 本文以塔式升降機試驗裝置的金屬結構為研究對象，采用ANSYS經典力學分析模塊對升降機構運行中的危險工況進行分析。通過結構分析給未來塔機的安全檢驗提供支持，以確保塔機的剛度、強度、穩定性符合安全要求。

【關鍵詞】 塔式起重機 有限元 結構靜應力分析

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2016.03.020

1 引言

塔式起重機經常用于房屋建筑和工廠設備安裝等場所，具有適用范圍廣、回轉半徑大、起吊高度高、操作簡便等特點。計算機的普遍采用以及設計理論與設計方法的進步，促進塔機產品不斷出現，對塔機的工作環境和性能參數的要求也越來越高，為此塔機受到的工況也越來越復雜。

2 試驗臺整體結構有限元建模

根據塔式起重機設計規范中的相關規定，塔式起重機必須在塔式起重機各個構件材料的彈性范圍內工作。模型能夠全面準確地反映塔機結構特點，受力應和塔機在工作時外載荷作用下相同，模型的邊界條件需要和塔機實際工作時保持一致。

2.1 具體結構簡化

試驗臺起升機構根據實際情況需要對每個具體結構進行簡化。

（1）回轉機構簡化。在進行整體分析時，回轉支承結構采用梁桿單元進行簡化，這樣可以避免不同結點自由度的梁單元的連接問題。完成整體分析后，如果回轉機構的受力較大，可以采用板殼單元單獨對此機構進行有限元分析。

（2）塔身和起重臂的簡化。塔身在底部由底架支承，因此結構剛度較大，可以看做是固接支座，即全部的自由度數為0。起重臂與二根拉桿的連接以及拉桿與塔頂的連接均屬于銷軸連接，將銷軸連接處理為固定鉸支座。同時，起重臂和塔機回轉節同樣也是固定鉸支座。

（3）載荷的簡化。本文中分析塔機處于工作狀態下的受力狀態，作用在塔機上的載荷有自重載荷、風載荷、起升載荷、附加載荷等。對于自重載荷，以重力加速度的形式附加；風載荷手動計算，平均計算按照最不利的方向施加在節點上；起升載荷中有吊鉤組、變幅小車及牽引機構、爬升架、起升機構的重量，由于重量大，均考慮為在其作用點上施加等效的重力。本文不考慮司機室、起升鋼絲繩等的重量。

2.2 整體結構有限元建模

現在開始對整體結構進行有限元建模。

（1）塔身有限元模型。塔身由12個標準節組成，每個標準節的尺寸為2.05×2.05×5.85m，主弦桿采用H型鋼，尺寸為135×135×60mm，寬度為12mm，材料為Q345B。腹桿采用鋼管，尺寸為[?]120×8mm，材料為Q235B。ANSYS中采用梁單元對標準節建模，ANSYS中的Beam188單元能夠同時考慮剪切和彎曲變形，如圖1.1所示。

為避免重復建模，接下來的11組標準節可以采用單元復制命令（EGEN命令）進行建模。整個塔身的有限元模型如圖1.2所示。

（2）回轉平臺有限元模型。本試驗臺架主要對起升機構進行試驗，沒有回轉支承結構，回轉平臺直接與塔身和塔帽固接，回轉平臺上尺寸為1.56m×1.56m，回轉平臺下尺寸為2.05m×2.05m，高為5.85m，主弦桿和側腹桿的尺寸和塔身標準節相同，同樣采用BEAM188建模，如圖1.3所示。

（3）臂架有限元模型。臂架主要參數如圖1.4所示。有限元模型同樣使用BEAM188單元建模。

（4）拉桿有限元模型。拉桿由于主要承受拉伸和壓縮，因此采用Link8單元進行模擬。

整個試驗臺的有限元模型如圖1.7所示。

3 施加約束

3.1 施加塔身與基礎的約束

塔身和基礎通過底架相連，通過穩定性校核，說明塔身不會傾翻，因此，可以認為塔身相對于基礎來說沒有移動和轉動，故約束6個方向的自由度，即UX=0；UY=0；UZ=0；ROTX=0；ROTY=0；ROTZ=0。如圖1.8所示。

3.2 施加銷軸約束

拉桿與臂架、拉桿與塔帽、塔帽與臂架之間通過銷軸連接，ANSYS中可以使用CP命令來描述銷軸約束。即UX、UY、UZ、ROTX、ROTY相同，旋轉方向ROTZ不會約束。如圖1.9所示。

4 施加載荷

4.1 自重載荷

自重載荷是整個結構的重量，在ANSYS中以慣性載荷的形式施加。由于慣性力的方向與重力的方向相反，因此，ACEL命令中的值也與重力的方向相反。考慮到自重沖擊系數，加速度值同樣也乘以[φ1]=1.1。如圖1.10所示。

4.2 起升載荷

起升載荷=總吊重（重物+滑輪組）×起升載荷系數。如圖1.11所示為施加的起升載荷，分別為161260N，322500N，322500N，161260N。

4.3 風載荷

在試驗狀態下的風力系數C=1.3，風速壓q=90N/m2，風壓高度變化系數在工作狀態時Kh=1，塔身每個標準節的擋風面積為3.768m2，塔身上的力是均勻分布的力，標準節力的總大小為：F=440N，塔身實際承受的力為5720N。由于風速較小，因此不需要計算臂架以及貨載上的風載荷。

5 不同載荷工況下結構應力分析

5.1 自重載荷下的應力分析

當試驗臺只承受自重載荷時，對其進行有限元分析，最大位移發生在臂架的兩端，數值為8.736mm，如圖1.12所示；最大應力發生在塔身底部，數值為44.8Mpa，如圖1.13所示。

5.2 風載荷下的應力分析

當試驗臺進行風載試驗時，試驗臺需要考慮自重載荷，最大位移出現在了塔帽處，數值為63.24mm，如圖1.14所示；最大應力發生在塔身底部，數值為67.9Mpa，如圖1.15所示。由于塔身過高，因此由于風載荷產生的變形量大，實際施工現場，在每一層樓層上都固定一個附著架與塔身標準節相連，這樣可以抑制塔身的彎曲變形，而且僅由風載產生的應力并不大，因此可以忽略工作狀態下的風載作用。

5.3 吊重25t下的應力分析

該試驗臺在進行試驗時共有三種工況：（1）臂根起吊25T吊重試驗；（2）臂頭起吊12.5T吊重試驗；（3）同時起吊30T的吊重試驗，即臂頭和臂根分別承受15T的載荷重量。

當試驗臺進行25T的吊重試驗時，試驗臺施加自重載荷和吊重載荷，最大位移出現在了吊重處，數值為32.84mm，如圖1.16所示；最大應力發生在拉桿與臂架連接處的上弦桿處，數值為152Mpa，如圖1.17所示。

5.4 吊重12.5t下的應力分析

當試驗臺進行12.5T的吊重試驗時，試驗臺施加自重載荷和吊重載荷，最大位移出現在了吊重處，數值為25.71mm，如圖1.18所示；最大應力發生在拉桿與臂架連接處的上弦桿處，數值為129Mpa，如圖1.19所示。

5.5 最大起重量起吊時的應力分析

當試驗臺的12.5T和25T吊重共同起吊時，同時需要考慮自重載荷，這時，最大位移出現在臂架最兩端，最大值為49.41mm，如圖1.20所示；最大應力出現在了拉桿和臂架交接的臂架主弦桿處，最大值為187MPa，如圖1.21所示。

此工況與傳統設計方法計算時的工況一樣，通過對比發現，有限元法和傳統力學方法一致，存在較小誤差。

6 結論

本文基于有限單元法對塔式起重機起升機構試驗臺進行了應力分析，得到了自重載荷、風載荷、起升載荷不同工況下的各個單元的位移和應力計算結果，以及最大載荷工況下和共同起吊時的計算結果。數據表明，采用有限單元法可以建立整體結構的有限元模型，模擬更加真實的結構構造，得到更加精確的計算結果。通過APDL的ANSYS軟件分析，可以大大縮減建模時間，靈活修改建模過程中的參數。結果表明，結構位移的最大處在臂架兩端，應力最大處則為拉桿和臂架相連接的位置，但均未超過其許用應力，結構安全。

作者簡介

孟愷，工程師，現于遼寧省安全科學研究院從事起重機檢驗工作。

閻雪姣，工程師，現于遼寧省標準化研究院從事標準化科研服務工作。