基于ANSYS的塔機整體金屬結構有限元分析計算

謝珍艷 李碧玉

（山西省工程機械有限公司，山西 太原 030003）

金屬結構是塔機的重要組成部分。本文運用ANSYS有限元分析軟件的APDL語言建立C7030塔機整體結構有限元模型，并進行結構簡化、邊界條件簡化、載荷的確定和計算等。對建立的塔機模型進行靜力分析，得出其結構在典型工況下每個桿件的強度、剛度，并將型式試驗實際檢測結果與有限元分析結果進行對比，使塔機的金屬結構設計更加合理。ANSYS等商業化有限元分析軟件的發展為塔機分析過程提供了很好的求解工具。

1 塔機有限元模型的建立及模型簡化

1.1 結構簡化及單元的選擇

塔機具有相當復雜的結構，在不影響計算結果的情況下，根據需要可相應地簡化有限元模型。就塔機整體結構而言，上、下支座、回轉支撐等具有較大剛度、較密集質量、較小尺寸，所以能夠以梁單元對其進行等效處理。選擇三維梁單元beam188作為腹桿、主弦桿等。以Link8桿單元來定義平衡臂、起重臂拉桿。因此，在整體分析時，只需要對塔機桿單元、梁單元進行考慮，從而規避了板殼單元、梁單元和各個結點自由度的連接問題。

1.2 建立整機模型

整機建模采用APDL語言編寫命令流。從下往上依次在桿件相交位置設置節點。整機共創建了620個關鍵點，離散成1363個單元，其中梁單元1360個，桿單元3個。

1.3 定義材料屬性和邊界條件

計算有限元時，結構的自由度約束應得以保證，以免發生剛體位移。一般選擇線性梁單元beam188單元、桿單元Link8，作為研究塔機的建模工具。塔身底部通過地腳螺栓和整塊地基相連，具有較大的結構剛度，因此可以對彎矩加以承受，將其作為固定支座處理，約束其底部4個節點的6個自由度。以銷軸連接塔身節，也是剛性連接的一種。因為塔身具有較小的上部彎矩，及較大剛度，剛性連接也包括回轉塔身和上支座、上支座和下支座、下支座和塔身的連接。塔頂、起重臂根部、回轉塔身間的邊界條件的處理：UX=0、UY=0、UZ=0、ROTX=0、ROTY=0。回轉塔身、起重臂根部、塔頂間的邊界條件的處理：UX=0、UY=0、UZ=0、ROTX=0、ROTY=0。在相對應的吊點及塔頂，對平衡臂拉桿吊點兩端、起重臂拉桿進行固定。起重臂、平衡臂各節間連接處視為剛性連接。對節點施加的約束，全部在節點坐標系中進行，取與塔機型式試驗報告中各檢測點正好或接近的點作為檢測點。

1.4 對幾何模型劃分網格

劃分網格時，拉桿采用的LINK8單元只能承受拉力，所以劃分網格時，一個單元只能分1段。而梁單元采用的BEAM188單元，可以劃分為2～3段。

2 施加載荷

在空中提升重物時，塔機的各機構部件停止運行，受到的載荷是靜力。在靜力分析過程中，不考慮運行時，塔機或其起重小車的沖擊載荷、動載荷。由于司機室、鋼絲繩等的重量相對于整機鋼結構來說非常小，且對于塔機的承載能力和受力情況影響不大，因此可不將其計算在內。型式試驗測試狀態為靜載無風，因此工作狀態下3種工況不予考慮風載。在向每個單元施加自重時，塔機的方式為重力加速度。ACEL，0，9.8，0平衡重、變幅機構、起升機構、吊鉤小車以集中載荷的方式作用在下弦桿上。除了以上載荷，各工況下吊重載荷按1.25倍吊重量計算。

3 有限元結果分析

打開后處理器POST1，其作用在于對某種載荷下，整個模型結果加以探測，以列表、圖形方式顯示分析結果。

3.1 結構強度分析

為確定該結構的承載能力是否足夠，分析應力值是我們檢驗的標準。

一般而言，塑性材料的屈服應力σs比強度極限要低，因此極限應力常被選定為屈服應力。如果在剛度、穩定性、強度等方面，設計結構構件滿足要求，可選擇允許應力法。比如，在屈服應力值上，普通碳素結構鋼Q235碳鋼為235MPa，考慮基本載荷和附加載荷的各種組合，在這里取ns=1.34，可得許用應力

Q345低合金鋼的屈服應力值為345MPa，可得許用應力

作為一種等效應力，在對模型內部的應力分布情況加以展示時，Von Misses Stress的工具是應力等值線，可對模型中的最危險部分加以明確。

等效的VonMiss應力的計算公式為：

式中 ：σ1，σ2，σ3——3 個方向主應力 ；

σT——單向拉伸時的屈服極限。

σ——等效應力。

當應力分量在直角坐標系中表示時，有：

VonMiss準則即是：

3.2 剛度分析

塔身自有高度H（至塔身與臂架連接處），在額定起重載荷下出現的水平位移ΔL間的關系，即為塔機靜態剛性，可通過下式呈現：

其中，在臂架連接處至最高附著點，或軌道面的垂直距離，以H指代。

該塔機H=51.7m，故許用靜剛度為

若塔身與起重臂連接處節點的最大水平位移小于許用靜剛度0.693m，則靜剛度滿足要求。

3.3 各工況下分析結果

工 況（按1.2 5倍吊重計算）工況三工作幅度R=1 6.1 m起重量Q=2 0 t[σ]=2 5 7 M P a許用應力 1 3 6 M P 1 5 7 M P 1 8 5 M P ΔL=0.6 9 3 m許用靜剛度 0.3 m 0.3 5 5 m 0.4 1 7 m工況一工作幅度R=7 0 m起重量Q=3.7 5 t工況二工作幅度R=3 5.2 m起重量Q=8.0 6 t

3.4 對比型式試驗結果

型式試驗檢測中測出的為軸向正應力的應力值，不考慮風載荷，僅考慮負載吊重產生的應力。用ANSYS計算出的應力為自重應力和負載應力之和（即等效應力）。本文以有限元法為分析塔機整體結構受力的方法，并求得最大、最小應力的變化值，與型式試驗誤差在8%以內。

結論

通過對塔機靜力分析，發現塔機結構在3種工況下的最大變形均發生在起重臂端部，且變形量均符合標準要求，未超過規定值。利用有限元方法研究弦桿，從而獲取應力的最大、最小值，同時對比試驗測量數據，不難發現，試驗測量數據都被控制在有限元計算結果范圍中，如果在結構設計時，將參考應力選定為有限元結果中應力的最大值，就能夠全面兼顧檢測應力，從而對波動關系的影響進行了規避，從強度角度對弦桿進行充分考慮。