基于ansys的塔式起重機力學分析

李康敏 徐雅瀾 耿冠秋 陳珂

摘 要：本文對塔式起重機進行研究，根據各結構特點，建立塔式起重機仿真模型。然后考慮風荷載作用，將風載量化到各個部件的單元節點上，施加起重載荷和位移約束求解。分析結果，該塔式起重機性能優良，安全穩定。這對大型塔式起重機結構的穩定性和安全性設計將有重要意義。

關鍵詞：塔式起重機；有限元；風載荷

引言

近年來，隨著建筑行業快速發展，塔式起重機得到廣泛的推廣。塔式起重機的推廣使用，較大提高了工作效率，為施工創造了安全的工作環境。然而，工作效率提高的同時，塔式起重機也帶來了一定的機械危險。為此，國內已開始重視在使用新型材料、新型工藝和新型技術的同時，研究安全穩定技術，減少不安全因素，提高產品競爭力。

目前，塔機不斷向大型化發展，且主要以工作經驗設計為主，雖滿足基本工作要求，但自重大和穩定性差。本文通過對塔式起重機建模分析，得出其穩定性及安全性的結論。

一、塔式起重機結構特點

起重機的底架被固于專用的混凝土基礎上，其上部與標準節連結，標準節最上端與回轉中心的下轉臺連接，下轉臺與回轉支承外圈連接。回轉支承內圈上的轉動部分，包括回轉上轉臺、平衡臂、起重臂、塔帽、變幅小車與吊鉤、起升機構、平衡重、回轉機構以及操縱室等，這些部件均通過回轉機構可以在水平面內作500度的全回轉。

起重臂根部與上轉臺用鉸鏈連接，且兩根起重臂拉桿與塔帽連接。平衡臂根部與上轉臺用銷軸連接，也用兩根拉桿與塔帽相連。

塔式起重機是一種常見的施工起重結構，按結構類型可分為動臂式和靜臂式。由于塔式起重機塔身較高，受到風載荷作用較大，因此對其安全性和可靠性的分析和評價是確保其在服役年限內正常使用的重要環節。

二、起重機仿真建模

塔式起重機金屬結構部分主要有底架、標準節、下轉臺、回轉支承、上轉臺、塔帽、平衡臂、司機室、起重臂、變幅小車、拉桿等。

（1）塔身由標準節組成。標準節呈長方形空間桁架結構，是由角鋼組焊而成，四周為主角鋼，其余角鋼為副角鋼。每個標準節內部都設有與標準節等長的爬梯，因不受力，模型中忽略爬梯。

（2）起重臂橫截面為等腰三角形平面桁架結構，斜腹桿和水平斜腹桿為無縫鋼管。上弦桿為鋼管，兩根下弦桿為實心方管，下弦桿的上表面及側面，安裝使用時須保證分別平整，以使變幅小車平穩移動。起重臂整體分為內跨、外跨和外伸段三部分。

（3）回轉臺由上轉臺和下轉臺兩部分組成。下轉臺與標準節材料相同，上轉臺的上部分由實心方管等組焊而成，其頂部四角用銷軸與塔帽連接，兩側分別與起重臂和平衡臂用鉸鏈連接。對模型進行簡化，忽略回轉支撐。

（4）塔帽是由角鋼組焊而成的空間桁架結構，且與塔身角鋼材料相同，底部與回轉塔身連接，頂部設有鉸支座，分別與平衡臂拉桿、起重臂拉桿鉸接。

（5）平衡臂是由工字鋼和鋼棒組焊而成的平面桁架結構，臂的尾端放置混凝土平衡重，臂的上平面設有行走平臺，用于檢修和安裝，行走平臺的兩側設有標準護欄，材料為鋼棒。后端通過兩根鋼索與塔帽連接，前端用銷軸與上轉臺連接。

（6）司機室設置在回轉塔身的左前方，它的右前方為起重臂，右后方為平衡臂，操縱室內寬敞明亮，視野開闊，便于對地面實施操作。因為司機室重量遠小于自重，所以忽略其對整體模型的影響。

（7）測拉桿的目的為提高塔身的穩定性，將塔身固定在建筑物上，本模型假設側拉桿為固定約束。

（8）塔架下端、斜撐桿與地面混凝土為固定約束。

三、風載荷作用下的結構響應

1.風載荷計算

塔機一般在露天環境下工作，且塔身較高，受風荷載影響較大，所以必須考慮風荷載的作用。風載為任意方向作用的水平力，假設風載作用于塔機的一面。風載分為工作狀態風載和非工作狀態風載，工作狀態風載是指塔式起重機在正常工作情況下所能承受的最大計算風力。本文手動計算風載荷，根據構件側面積計算出所受風力，然后按最不利方向平均施加在節點上。最大風載荷計算如下表：

塔機上位置 面積約/M2 所受力/N 節點數 各節點所受力/N

塔身 25 8000 240 42

塔帽 5 1500 33 50

平衡臂 5 1500 16 100

起重臂 20 6000 120 50

2.施加荷載求解

在起重臂端點位置加2t的重物，由于移動小車有四個輪，根據圣維南原理和虛功原理可得，由于臂長遠大于小車長度，因此將外載荷平均分配到小車附近的4個節點上，這樣僅對作用點臨近的應力有影響，對整體結構受力情況沒有影響所以將20000N力近似作用在四個節點上，每個節點承受5000N。

3.結果分析

在最大風載作用下，起重臂端點處位移最大為43cm，通過計算，轉角約0.5度，滿足使用要求。最大應力發生在起重臂根部，且最大為95MPa，比自重下大5MPa，與實際情況相符合。所以該結構在最大風載作用下是安全可靠的。

分析塔身和塔頂應力分布圖可得，塔頂靠近起重臂方向處應力較大，但遠小于極限強度，所以結構安全且應該加強塔頂與塔身靠近起重臂方向的主撐桿的剛度。

四、結論

①綜合以上分析，QTZ40塔機各項參數均滿足極限要求。最大應力為110兆帕，低于極限強度。最大位移42cm，小于極限位移。該機性能優良可靠，造型美觀，結構簡單實用，是先進的安全起重機。

②有限元分析模型的優點是可以更精確的建立仿真建模，該軟件由靈活的、多個可擴展的模塊組成，因此可以滿足各行業的工程計算需要。

參考文獻

[1]谷禮新，鄭海斌，彭衛平等.塔式起重機起重臂結構和穩定性有限元分析[J].機電工程技術，2005，34（8）：27-28.

[2]張毅.基于ANSYS塔式起重機起重臂多目標優化設計[D].中南林業科技大學，2010.5.

（作者單位：武漢科技大學理學院）