基于ANSYS的塔式起重機溫度物理場強度分析

王宏臣

（淮安信息職業技術學院，江蘇淮安223003）

1 有限元模型建立

對塔式起重機模型進行有限元網格劃分（圖1），對不同部分賦予不同材料，如塔身部分為鋼鐵材質，配重和底座為混凝土材質，相關材質的屬性如表1所示。

圖1 塔式起重機有限元模型

表1 不同材質屬性表

2 有限元分析

2.1 溫度場分布

在一些特殊工作環境下，比如沙漠，地表溫度一般很高，能達到70～80℃，塔吊的底部會達到很高溫度，而塔吊頂處在空氣中，溫度一般不高。對于這種特殊工況下的塔吊分析，目前還沒有看到相關文獻，有必要對此進行相關研究。

將塔吊起重臂以上的部分初始溫度設置為20℃，塔基的初始溫度設置為50℃，施加載荷，將分析設置為穩態傳熱分析，最終溫度場分布如圖2所示，可看出整個溫度分布呈現線性梯度。

2.2 溫度場對應力的影響

溫度場產生的應力場如圖3所示，最大應力為109.1 MPa，主要受力部位是塔吊吊身和塔基連接處。

2.3 模態分析

模態分析是研究結構動力特性的一種方法，一般應用在工程振動領域。其中，模態是指機械結構的固有振動特性，每一個模態都有特定的固有頻率和模態振型。

圖2 溫度場分布

圖3 溫度產生的應力

分析50階模態，主要振型為塔吊懸臂的整體位移、塔吊配重的振動、懸臂繩的振動、懸臂繩和懸臂柱的振動。不加溫度場50階模態的前5階頻率值如表2所示。將上面分析的溫度場導入到模態分析模塊中，分析其對模態的影響，得到前5階模態頻率值如表2所示。由表2對比可知，溫度影響下的模態頻率值會比正常情況下的頻率值低，其主要原因是高溫導致了材料彈性模量減小，模型的剛度減小，故其頻率值降低。后45階對比結論相同。

表2 模態頻率值

3 結構優化

由以上分析發現，塔吊的薄弱環節在四個支撐腳處，故需對其進行優化處理，在此主要有兩種優化方式：（1）尺寸加大；（2）方管換成圓管，并進行尺寸加大。

首先分析第一種優化方法，優化處尺寸及三維模型如圖4所示，其中拉伸高度為0.1 m。

圖4 優化方法（1）尺寸及三維模型

再選擇第二種優化方法，其尺寸及三維模型如圖5所示，拉伸高度也是0.1 m。

圖5 優化方法（2）尺寸及三維模型

4 結論

結構優化后，對耦合工況進行分析，具體結果如圖6所示。

圖6 自重+吊重+溫度

由圖可知，最大應力為348.5 MPa，分析結果顯示：相同工況下，優化后最大應力值比優化前的值都小，且四個支撐腳處已經沒有出現最大值，所以優化是合理的。