基于ANSYS 的QTZ80 塔機(jī)有限元分析

（唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299）

傳統(tǒng)的塔機(jī)設(shè)計(jì)方法是以力學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，滿足塔機(jī)“三性”（強(qiáng)度性、鋼度性、穩(wěn)定性）使用要求的同時(shí)，塔機(jī)的安全性和安拆的方便性也要充分考慮，但傳統(tǒng)計(jì)算考慮因素多帶來的計(jì)算量大，故往往簡(jiǎn)化模型，選取較大的安全系數(shù)，造成浪費(fèi)。電子計(jì)算機(jī)技術(shù)及有限元技術(shù)可使龐大的計(jì)算量及復(fù)雜的計(jì)算模型均能有效解決，為塔機(jī)設(shè)計(jì)帶來了新思路與方法。對(duì)于塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)的新要求越加嚴(yán)格，不僅要滿足“三性”使用要求及安全性、安拆方便性的要求，也要考慮塔機(jī)工作狀態(tài)的性能特征及駕駛室位置的振動(dòng)特性等參數(shù)，以保證其在使用過程中的舒適性及安全性[1-3]。

1 ANSYS 整機(jī)建模

QTZ80 塔機(jī)機(jī)身采用螺栓聯(lián)接，塔機(jī)的起重臂、平衡臂采用梢軸聯(lián)接。本文以QTZ80 塔機(jī)為建模基礎(chǔ)，進(jìn)行ANSYS 建模。先通過圖紙讀取ANSYS 建模所需的塔機(jī)塔身鋼結(jié)構(gòu)建模參數(shù)，再通過塔機(jī)在自身重量下的變形量及應(yīng)力值驗(yàn)證模型的正確性，然后求出塔機(jī)的各方面參數(shù)。用這種方法完成整機(jī)模型，在ANSYS 中添加載荷[4]，進(jìn)行靜力學(xué)仿真，求解關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變值，然后將對(duì)應(yīng)載荷下的應(yīng)力仿真值與實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)變片檢測(cè)應(yīng)力值相比較，取不同載荷情況一一對(duì)比，若結(jié)果相差不大，且變化趨勢(shì)一致，則代表在ANSYS 中的建模是正確的。則可用ANSYS 對(duì)塔機(jī)不同工況下不同位置處的點(diǎn)的振動(dòng)情況進(jìn)行仿真測(cè)量，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置震動(dòng)情況的預(yù)測(cè)[5-6]。

1.1 塔式起重機(jī)各部分構(gòu)件截面幾何參數(shù)

本研究模型各機(jī)構(gòu)所用鋼材結(jié)構(gòu)尺寸如表1 所示。

1.2 ANSYS 中塔機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模

QTZ80 塔身是由6 節(jié)基礎(chǔ)節(jié)、12 節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組成。基礎(chǔ)節(jié)與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間除了主肢型材截面形狀不一樣，其余參數(shù)均相同，所以在建塔身時(shí)只要建好一節(jié)，其他17 節(jié)只要復(fù)制就可以了。建成的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型如圖1 所示。

建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度將已建立的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型以標(biāo)準(zhǔn)節(jié)高度為單位在豎直方向陣列，完成塔機(jī)塔身的建模，最終生成的塔身如圖2 所示，需要注意的是為了便于展示，圖2 的模型以傾斜狀態(tài)給出，但其方向?yàn)樨Q直方向。

表1 塔式起重機(jī)各部分構(gòu)件截面幾何參數(shù)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)模型

圖2 塔身模型

1.3 ANSYS 中上下回轉(zhuǎn)臺(tái)及回轉(zhuǎn)塔身建模

因本次仿真研究目的在于整機(jī)仿真，塔機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)際模型較為復(fù)雜，但塔機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)在整機(jī)仿真下并不影響其他部位的受力及變形。故在本次整機(jī)建模過程中將回轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了較大的簡(jiǎn)化，對(duì)塔機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)的簡(jiǎn)化在回轉(zhuǎn)臺(tái)局部受力影響較大，但對(duì)整體受力影響不大，模型如圖3所示。

圖3 上下回轉(zhuǎn)臺(tái)及回轉(zhuǎn)塔身建模

1.4 ANSYS 中塔冒的建模

塔機(jī)的塔冒雖然結(jié)構(gòu)相對(duì)塔身小得多，但受力是最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)之一，塔冒往往通過活動(dòng)鉸鏈與塔身上回轉(zhuǎn)臺(tái)鏈接，小型塔機(jī)為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)往往直接與上回轉(zhuǎn)臺(tái)通過焊接固連，塔冒通過圓形拉桿分別與塔機(jī)起重臂及平衡臂相連，塔冒在工作過程中不僅僅起到平衡起重臂與平衡臂的作用，在塔機(jī)回轉(zhuǎn)過程中受到拉桿的側(cè)向拉力使得塔冒受力情況極其復(fù)雜，故建模過程中應(yīng)詳細(xì)考慮塔冒工況，盡可能使模型貼近工作實(shí)際，塔冒建模原則如下：

1)模型能夠相對(duì)準(zhǔn)確反應(yīng)塔冒受力情況，且與塔冒實(shí)際強(qiáng)度特性一致，能夠真實(shí)反應(yīng)塔冒工作過程中各種變形及應(yīng)力傳遞。

2)塔頂結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)在原則上應(yīng)保持一致，盡可能不簡(jiǎn)化模型，力爭(zhēng)與實(shí)際結(jié)構(gòu)相一致。

3)塔頂金屬結(jié)構(gòu)受力能夠反映真實(shí)情況，把各種類型的載荷加在相應(yīng)單元的節(jié)點(diǎn)上。

依據(jù)以上原則，對(duì)塔機(jī)的塔冒在ANSYS 中進(jìn)行模型建立，其模型如圖4 所示。

圖4 塔冒的模型

1.5 ANSYS 中起重臂的建模

在建模過程中節(jié)點(diǎn)的設(shè)置位置一般原則為：桿件結(jié)合處設(shè)置節(jié)點(diǎn)，以便更好地觀察桿件結(jié)合處的應(yīng)力應(yīng)變情況，對(duì)受力較為復(fù)雜的下弦桿等部件設(shè)置較為密集的節(jié)點(diǎn)，以便計(jì)算更加精確，起重臂與塔身回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的結(jié)合處受到拉力、扭矩的作用，變形較為復(fù)雜，各節(jié)點(diǎn)距離應(yīng)適當(dāng)減小，以便得到更準(zhǔn)確仿真結(jié)果。按此原則方法，建立起重臂模型，如圖5 所示。

圖5 起重臂模型

1.6 ANSYS 中平衡臂建模

平衡臂是塔機(jī)工作過程中平衡起重物體的主要部件，但起重臂受力方式相對(duì)簡(jiǎn)單，載荷類型及作用方式較起重臂單一，其結(jié)構(gòu)多為矩形框架結(jié)構(gòu)，末端懸掛有配重，其模型如圖6 所示。

圖6 平衡臂模型

1.7 ANSYS 中各部分裝配過程

單擊preprocessor→Coupling/Ceqn→Couple DOFs→如圖示，選擇需要couple 的兩個(gè)點(diǎn)→單擊ok→如圖示，標(biāo)上couple 序號(hào)（一定要排好序號(hào)），選擇約束方向→couple 完成。用couple 命令將已經(jīng)完成建模的塔身、塔帽、平衡臂、起重臂裝配為整體塔機(jī)，添加拉桿，完成塔機(jī)整機(jī)模型的建模，如圖7 所示。

圖7 塔機(jī)在ANSYS 模型

2 ANSYS 模型仿真應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力比較

為驗(yàn)證整機(jī)組裝之后模型的準(zhǔn)確性，在QTZ80 塔機(jī)實(shí)際工作中的不同工況下利用應(yīng)變片采集各種工況下的不同數(shù)據(jù)，而后在整機(jī)有限元模型中添加相同的工作載荷，觀察應(yīng)變片相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)位移量及應(yīng)力、應(yīng)變，與實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變對(duì)比，驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性。本文選取一個(gè)工況的21 個(gè)檢測(cè)點(diǎn)予以展示，其結(jié)果如圖8 所示。

圖8 ANSYS 模型仿真應(yīng)力與實(shí)際應(yīng)力比較

3 結(jié)束語

由仿真結(jié)果及實(shí)際工況下的結(jié)果對(duì)比可知，模型與實(shí)際測(cè)量結(jié)果較為一致，數(shù)值誤差在可接受范圍內(nèi)，且應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，可以認(rèn)為該有限元模型能夠很好地表達(dá)真實(shí)塔機(jī)，利用該有限元模型可以快捷方便實(shí)現(xiàn)各種工況下、各個(gè)節(jié)點(diǎn)位置的應(yīng)力值、應(yīng)變量的求解，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)難度。