基于Ansys的大型桁架伸縮臂分析及應用*

孫永勝 趙東源 李 瑞

鄭州新大方重工科技有限公司 鄭州 450064

0 引言

“碳達峰、碳中和”目標的設立將進一步促進風能等新能源的開發[1]，風電技術進步及平價上網政策的推進，單機容量越來越大，輪轂中心越來越高[2]，給風電安裝用起重機帶來更大的挑戰。風電機組吊裝需要頻繁轉換機位，常采用流動式起重機，履帶起重機一般采用桁架臂，起重參數大，抗風能力強，可帶載行走，但需要較大的拼裝平臺，征地成本較高，在丘陵山地等小機位風場不太適用；全地面起重機一般采用箱形伸縮臂，機動靈活，但抗風能力差，價格較高；帶桁架伸縮臂的輪胎起重機，兼有上述2種通用起重機的優點，輪胎底盤轉機位便捷，道路適應性強，桁架伸縮臂自重輕，吊載抗風兼顧，成功應用于復雜場地風電機組的吊裝。針對大柔度桁架伸縮結構的計算，特別是施加預應力后，傳統的規范算法已不適用，需要借助有限元進行非線性分析。

1 總體情況

如圖1所示，桁架伸縮臂起重機QLY1860下回轉分為上車和下車，下車采用輪胎底盤，裝載機用越野大輪胎，支腿與車架合二為一結構，液壓獨立懸掛和獨立轉向，多種行走模式，轉機位靈活方便，適應灘涂、農田、丘陵、山地等風場環境[3，4]。

圖1 起重機整體圖片

上車采用多級伸縮桁架結構，包括直立的塔身和可轉動變幅的臂架，塔身自帶動力伸縮，臂架無動力隨動伸縮。可自動折疊的撐臂系統、卷揚機、動力系統等布置于轉臺內。塔身與起重臂縮合后可在四連桿機構作用下放平，4大部件可整體免穿繩實現快拆。

支腿合并自行走，整機帶載25%爬坡能力，輪胎外廓為4.15 m。機位展開成X形支承，直立塔身實現貼位施工，2個腹桿液壓插銷可實現桁架伸縮臂節間連接，雙變幅卷揚自扳起臂架，雙起升卷揚系統可實現快速起吊，能夠很好地適應復雜地形風電場窄路面、大坡度、急轉彎、小機位的特點，實現了安全、高效、環保的風電綠色施工工法[5]。

2 桁架伸縮臂構造

直立塔身和轉動臂架均采用桁架伸縮結構，腹桿液壓插銷可實現伸縮節間的連接，設置有行程開關和機械限位以保證可靠穿銷。

2.1 塔身

塔身為豎直布置，縮合后可整體運輸。工況形式有基本工況和加節工況2種，其中基本工況（見圖2，順時針旋轉90o顯示）分別為底塔、下塔、中下塔、中上塔和上塔等5種。根據實際吊裝參數，塔身可加標準節，每節長度為3 m，與中下塔連接，最多可加15節標準節。

圖2 基本工況塔身構造

底塔內部設有提塔卷揚，通過鋼絲繩滑輪組可實現塔身的伸縮，塔身總長度為125 m，截面尺寸為3.2 m×3.7 m，如圖3所示，下塔、中下塔、中上塔的主弦為矩形管，上塔的主弦為圓管，均為900 MPa級高強材料。

圖3 塔身截面示意圖

塔身的3個側面布置有三方位預應力拉板體系，底部液壓缸收縮可實現預緊，增大了塔身的剛度和承載力。

2.2 臂架

臂架繞根鉸轉動可實現工作幅度變化，2套變幅卷揚可實現臂架自扳起，轉動角度接近168o。基本4節臂工況如圖4所示，分別為根段、下臂、中下臂、中上臂、上臂和鶴嘴等。為了實現大起重量，可將上臂拆除變成3節臂工況。

圖4 基本工況臂架構造

臂架自身不帶動力，依靠自重隨動伸縮。臂架總長度為70 m，截面尺寸為2.2 m×2.9 m，如圖5所示。下臂、中上臂的主弦為異形角鋼，中下臂的主弦為矩形管，上臂的主弦為圓管，均為900 MPa級高強材料。

圖5 臂架截面示意圖

3 結構計算

塔身和臂架作為組合結構應進行整體分析，整體長細比超過150。在方案選型階段，采用常規方法進行設計計算。由于塔身的柔性特質和預應力體系，采用有限元進行非線性分析。基于不同的載荷工況和工作幅度，結構設計時共選取16種工況進行計算。

3.1 載荷分析[6]

1）自重G自重荷載通過輸入材料密度以及加載重力加速度而自動考慮。

2）起升載荷FQ不同工作幅度對應的吊重再加上吊具等的質量，考慮動載系數后以集中力的形式施加在臂架的端部。

3）動力系數 起升沖擊系數φ＝1.1，根據GB/T 3811—2008《起重機設計規范》，起升狀態為HC1，則φ2＝φ2min+β2vq＝1.11；動載試驗載荷起升動載系數φ6＝ 0.5（φ2+1）＝ 1.055。

4）慣性載荷 該起重機工作時設置有支腿，所以工作時不考慮行走慣性力，計算慣性載荷在有限元計算中以集中力形式施加在相應結構節點上。

①起升載荷質量產生的回轉慣性力為

式中：R為起升載荷到回轉中心的距離，n為回轉機構額定轉速，t為回轉機構啟、制動時間。

同時，回轉慣性力最小值取工作載荷的2%。

②回轉起(制)動時，起重臂切向慣性載荷的計算式為

式中：Gb為臂架自重，l為臂架根鉸的鉸軸中心至起重機旋轉軸的水平距離，R為起升載荷到回轉中心的距離，n為回轉機構額定轉速，t為回轉機構啟、制動時間其余參數同上式。

5）風載荷 工作狀態風載荷計算式為

起吊物風載荷的計算式為

非工作狀態風載荷的計算式為

6）試驗載荷 起重機投入使用前，應進行靜載試驗和動載試驗。在有限元分析中，該荷載以集中力的形式施加到結構相應位置。

①靜載試驗載荷：F＝φ6×1.25FQ，φ6＝ 1。

②動載試驗載荷：F＝φ6×1.1FQ，φ6＝0.5（φ2+1）。

7）預應力施加 在有限元分析中，通過控制塔頭變形和主弦軸力，確定最終的拉伸位移，按初應變施加預應力。

3.2 方案設計

在方案初步設計階段，可以采用結構力學知識分別對塔身和臂架結構進行受力分析計算。臂架為靜定結構，其所承受的載荷分為變幅平面載荷和回轉平面載荷，在變幅平面內臂架相當于兩端簡支結構；在回轉平面內臂架可視為懸臂結構。計算方法可采用許用應力法和極限狀態法[7]，各工況中臂架結構最大應力為492 MPa，小于許用應力。

在塔身變幅平面內，后拉桿施加預緊力使塔身頭部反變形，以減小結構受力前傾變形，進而減小截面的彎矩。在回轉平面內布置預拉裝置，與塔身共同承擔水平力及彎矩。參照工程實際應用情況及塔身受力特點，在兩側布置2道傾斜的拉桿或拉索或兩者的組合，底部設置液壓缸，帶有位移傳感器精確控制預緊變形，與塔身一起形成空間結構受力體系。塔身結構為超靜定結構，為了簡化計算，變幅平面內為一次超靜定結構，回轉平面內為二次超靜定結構，根據各構件截面參數、所受載荷和結構力學知識求解出各構件的內力和變形，進而計算出應力。計算簡圖如圖6所示，各工況中塔身結構最大應力為336 MPa，小于許用應力。

圖6 塔身計算簡圖

3.3 有限元計算

采用商業化軟件Ansys進行整體建模分析[8，9]，計算模型采用梁單元Beam 188、桿單元Link 180和板殼單元Shell 181進行耦合建模，其中Beam188用于塔身、吊臂、擺臂及撐臂的側拉索架的建模，并且用于上車架與拉索相連的結構件的等效建模；Link 180主要用于側拉索、后拉索、主變幅繩、副變幅繩的建模，此外還用于各臂節之間滑塊連接的等效處理；Shell 181單元主要用于撐臂板殼結構建模，并用于吊臂根節及吊臂頭部節封板加強結構的模型建立。有限元模型如圖7所示。

圖7 有限元模型圖

以工作幅度R＝16.5 m起吊額定起重量Q＝145 t，考慮起升沖擊及側向垂直風，計算結果分別如圖8～圖10所示，其他工況的計算結果未列出。除去銷軸連接簡化處理的應力失真單元，臂架的最大應力為594 MPa，塔身的最大應力為369 MPa，均小于相應材料的許用應力，臂頭綜合變形為4.73 m，上車結構強度及剛度滿足要求。

圖8 整體變形云圖

圖9 下塔1應力云圖

圖10 下臂1應力云圖

3.4 結果分析

通過方案計算和有限元計算對比分析，同一個工況的有限元計算結果相較手工計算結果偏大，其中臂架應力增大20.7%，，塔身應力增大9.8%。手工計算將臂架視為底端固定的假設與實際不符，塔身提供柔性約束；塔身三方位預應力應協調統一整體考慮。

4 驗證及應用

4.1 縮比模型

由于實際伸縮結構與簡化計算模型之間存在差異，為了驗證預緊裝置的效果和加載控制機理，設計了1:15的縮比模型[10]，以保證各部件長細比一致。考慮到模型選材與制作的可行性，局部連接部位做了適當的加強處理。試驗結果與有限元模擬對比，趨勢吻合，擬合良好。

4.2 實物驗證

如圖11所示，當實物制造、安裝、調試完成后，在型式試驗中應嚴格按照GB/T 3811—2008《起重機設計規范》[7]的相關條款規定，即空載試驗、動載試驗、靜載試驗以及危險工況相應工作幅度的額定載荷加5%偏擺進行試驗[8]，最大測試應力為514 MPa，安全系數n≥1.75，充分驗證了結構的強度和安全儲備。

圖11 額載+5%偏擺試驗

4.3 工程應用

本文所述起重機已成功地應用于多個風電場的吊裝建設，在河南、山西、貴州、內蒙古、四川、河北、越南等地的風電機組吊裝中發揮重要作用，現場工作照片如圖12所示。其中在越南某風電場的總裝機容量為4×50 MW，共布置76臺2.65～3.0 MW的風電機組，輪轂中心高度為130 m。該風電場為山地路況，風電機組周圍為經濟作物和林業植被，由于機位小，臨時征地成本高，履帶起重機沒有拼裝場地，最終選擇采用本文所述起重機，解決了現場吊裝施工的難題，受到了業主、施工方、監理方的一致好評。

圖12 風電場工作照片

5 結論

1）該起重機組合臂架的尺寸大，柔度亦大，通過設置三方位預應力系統，在截面尺寸不變的情況下滿足更高、更大的起重參數。采用有限元非線性分析，結合縮比模型和實物試驗，驗證組合臂架起重機整體結構計算方法，指導工程實踐。

2）嚴格按照規程型式試驗取證，驗證結構的強度、剛度、穩定性及安全儲備，尤其是額載加5%偏擺試驗，模擬現場歪拉斜吊，安全系數為n≥1.75。