塔式起重機有限元模型的建立

【摘要】：塔式起重機是廣泛應用于建筑施工和工業起重的機械，淺析了塔式起重機的研究現狀，利用有限元分析軟件ANSYS，為了便于進行結構的建立和修改，采用APDL的方式，針對某塔式起重機建立了有限元模型，并對建模的方法、技巧及注意的問題進行了討論。利用ANSYS建立塔機有限元程序，將程序相關幾何尺寸參數化后可用做塔機的初步設計和產品系列化設計以及檢測前的模擬實驗，是下一步靜態和動態性能分析的基礎。

【關鍵詞】：塔式起重機；有限單元法；ANSYS

一、引言

塔機，即“塔式起重機”簡稱，又稱“塔吊”，是廣泛應用于建筑施工中的一種關鍵起重設備，是施工企業裝備水平的標志性裝備之一，在工作中經常起動、制動，主要用于建筑施工中建筑材料的垂直和水平運輸以及預制結構的安裝，作業空間大。

傳統的對塔式起重機的設計分析，一般是按照材料力學的方法，利用許用應力，對參照國外塔機而設計的產品，按照《塔式起重機設計規范》的設計標準對所設計的塔式起重機進行結構強度、穩定性等校核。這樣設計的塔式起重機，它的設計計算過程復雜、周期長。由于類比法對傳統經驗的要求較高，誤差較大，這樣就導致設計出來的塔式起重機的各個部件的重量都比較偏大，限制了塔式起重機的效率，塔式起重機的各個桿件的應力分布和構造尺寸也偏大，造成了材料的極大浪費。同時這種采用傳統設計方法來改進初始設計方案則需要多次修改塔機結構設計參數，進行重復計算，工作量將非常巨大。

隨著計算機的發展，在現今針對塔式起重機的研究中，有限元法是被廣泛采用的一種方法。利用有限元法對塔機進行的研究日趨成熟。已有的研究有陳曉峰[1]的基于Ansys及APDL的塔式起重機有限元分析系統，以及王仿[2]等對塔式起重機整體結構進行的有限元分析等，這些分析計算的前提是建立準確的有限元模型。

二、ANSYS參數化語言APDL

ANSYS軟件提供了兩種工作模式：人機交互方式（GUI方式）和命令流輸入方式（Batch） 。APDL是一種用來完成有限元常規分析操作，或通過參數化變量方式建立分析模型的腳本語言。它用智能化分析的手段，為用戶提供了自動化完成有限元分析過程的功能，及程序的輸入可根據指定的函數、變量及選用的分析類型來確定，是完成優化設計和自適應網格的最主要基礎，也為日常分析提供了便利[3]。

在用GUI方式建立模型分析后再修改重分析時，必須改變模型的幾何結構或載荷等并重復上述步驟。當模型較復雜或修改較多時，這個過程繁瑣復雜 ，而且往往會生成大且多的數據文件。而利用APDL，則可以直接修改文本文檔來完成多次任意分析，減少了有限元分析的工作量，縮短了計算周期，提高了設計效率[4]。

三、塔式起重機的有限元模型

（一）模型的建立

建立正確而可靠的塔式起重機結構模型是一項非常重要而且繁雜的工作，它不僅關系到計算結果的正確與否，而且直接影響著以后的各項工作，實際塔式起重機的結構非常復雜，除了大量的梁桿結構之外，還有板殼結構、桿結構等，支承邊界條件形式多種多樣，載荷種類和組合也較多，因此分析一臺實際塔式起重機必須對其進行一定的簡化。

1、回轉機構的簡化

由于回轉支承機構等實體部件相對塔機整體而言幾何尺寸較小、剛度大、質量集中，對塔機結構整體分析時，可以將回轉支承結構等實體部件采用梁單元進行等效，使塔機的整體分析中只包含梁單元，減少塔機整體分析中的單元種類，避免了具有不同節點自由度的梁單元和板殼單元的連接問題，方便進行處理[5]。

2、塔機附件簡化

塔機附件（如電機等）由于相對塔機整體結構而言幾何尺寸小、質量集中，對整體結構進行分析時，將附件等實體部件采用等效處理。

3、對于塔頂、塔臂、塔身和平衡臂的連接處結構比較復雜，因此在整體結構分析中，這幾部分的連接接將節點直接布置在一起[6]。

（二）單元類型的選擇

1、梁單元

ANSYS提供了多種梁單元，塔機是一種空間結構， 塔機所有弦桿采用三維梁單元模擬。ANSYS軟件提供的常用彈性三維梁單元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189，它們都有各自的特點，能滿足不同的分析要求。塔機結構中有許多較短的桿件，如塔身接頭、吊臂接頭等都屬于深梁，用普通梁單元建模會帶來較大的誤差，所以塔機分析應使用BEAM188單元（線性梁單元）和BEAM189單元（二次梁單元），通常采用BEAM188單元即可。BEAM188考慮了剪切變形的影響，還支持截面定義功能，因此，塔機分析中使用BEAM188單元即可滿足塔機分析所要求的功能，并得到滿意的結果[5]。

2）桿單元

LINK8單元是有著廣泛的工程應用的桿單元，比如可以用來模擬：析架、纜索、連桿、彈簧等等。這種三維桿單元是桿軸方向的拉壓單元，每個節點具有三個自由度：沿節點坐標系X、Y、Z方向的平動。就像在鉸接結構中的表現一樣，本單元不承受彎矩，對于平衡臂與起重臂處的鋼索采用此單元。

3）MASS21

MASS21是ANSYS提供的三維質量點單元，具有六個自由度，即X，Y和Z方向的移動和繞X，Y和Z軸的轉動。每個方向可以具有不同的質量和轉動慣量。質量單元在靜態解中無任何效應，在計算中加入重力加速度才具有慣性載荷。平衡重、回轉架臺等附加集中質量可以用質量單元模擬。

（三）有限元模型的建立

在ANSYS中有兩種方法來建立有限元幾何模型，即直接生成法和實體建模法。模型采用直接生成法，即先建立節點，再連接節點生成單元。在建模時采用APDL和GUI方式相結合的方法，用命令流編程，可以便于修改模型，從而節省時間。

將塔身、起重臂、平衡臂，過度節的每個結構件連接點作為一個節點。塔身一般有許多個標準節組成，每個標準節具有相同的拓撲結構、幾何尺寸和截面類型，所以塔身的標準節只需要定義一次，以后的各節塔身可以通過平移節點編號后得到。標準節之間通過通過短梁單元連接。

四、總結

利用有限元軟件ANSYS和APDL，建立了塔式起重機整體結構有限元模型，今后可以在此模型的基礎上對塔機進一步進行靜態性能的分析和動態分析，包括模態分析和諧響應分析兩方面的動態性能分析等，以保證塔機的安全性能。

參考文獻：

[1] 陳曉峰. 基于Ansys及APDL的塔式起重機有限元分析系統[D]. 東北大學， 2005.

[2] 王仿， 高頂.塔式起重機整體結構的有限元分析[J]. 煤礦機械， 2009， 30 （2）： 96-97.

[3] 龔曙光， 謝桂蘭， 黃云清. ANSYS參數化編程與命令手冊[M]. 北京： 機械工業出版社， 2009.

[4] 陸旭， 周見行， 姜偉. 基于APDL的塔式起重機有限元參數化建模與分析[J]. 機電工程， 2009， 26 （7）： 34-36.

[5] 王勝春， 宋世軍， 靳同紅， 王積永. 塔式起重機的振動模態分析[J]. 機械科學與技術， 2010， 29 （7）： 912-914.

[6] 刑靜忠， 王永剛， 陳曉霞. ANSYS 7.0 分析實例與工程應用[M]. 北京： 機械工業出版社， 2004.