某塔式起重机整体结构应力分析

雷经发,陈雪辉,雷 声,刘 琦

(安徽建筑工业学院机械与电气工程学院,安徽,合肥 230061)

塔式起重机(简称塔机)是建筑施工中必不可少的施工机械设备.随着城市建设的发展,塔机的使用量也随之增多.为保证设备正常、安全运行,塔机使用过程中的金属结构件的安全性能的评估必不可少.据文献[1,2]介绍,在塔机的事故类型中由于结构损坏的原因占90%以上.为此,本文通过有限元软件对某型塔式起重机整体钢结构进行二维建模,并选取五种典型工况对其进行有限元分析[3],得出了各工况下的起重机整体结构的应力值和受力云图,并在此基础上提出优化方案.

1 有限元模型的建立

采用有限元方法对机加工艺过程进行分析,对产品进行优化设计,已成为越来越重要的技术手段.应用有限元模拟技术能方便对各种工艺参数进行调整,指导产品设计,从而减少产品试制次数,提高产品的设计制造质量,降低开发费用[4].

本文以Abaqus/CAE为平台,以某塔机为原型,建立该塔机的有限元模型,设置各种分析参数后提交给Abaqus/Standard进行分析求解,最后对计算结果进行分析,根据实际情况提出参数的优化方案.

1.1 塔机结构分析的简化原则

考虑到主要分析塔机结构的整体应力变化,在Abaqus三维空间中用二维梁杆单元来建立塔机的整体模型,在结构建模时进行如下简化.

1)塔身和塔臂的杆件数目较多,且其杆件布置比较类似,均由许多拓扑形状相同的杆件组成,回转支承部件是用钢板拼焊而成,但板结构的分析、处理较梁杆复杂,因此采用梁杆单元来模拟进行计算,并把这些等效梁杆单元的弹性模量放大,但应具有相同的质量特性.

2)塔身、塔臂、塔顶和平衡臂的连接处结构比较复杂,在塔机的有限元模型分析中直接用节点将该部分布置在一起.在塔式起重机正常工作时,顶升架并不参与工作,只有在塔式起重机爬升时才使用.考虑到其质量较大,需要把其质量均布在塔身与其相连的标准节的各节点上,只考虑质量对塔式起重机系统静态特性的影响.平衡重、起升机构、变幅机构对塔式起重机的静力分析影响很大不能忽略,在计算时将其作为集中质量加在相应的一个或多个结点上.

3)塔臂和平衡臂的悬索可选用杆件单元连接,只需将该部分杆件的抗压刚度和钢丝绳悬索的刚度基本一致,在标准材料密度的基础上乘以一个质量变化系数,使结构的计算质量与实际质量吻合,以此来反映真实的质量特性.

4)塔身的底部加固定约束,约束六个自由度.在回转机构处采用Abaqus中的运动耦合约束,使被约束区域成为刚性区域,此区域内的节点不会发生相对位移.

1.2 塔机有限元模型

根据上述简化原则,结合表1的塔机各部件的型材参数建立了某塔机的有限元模型(图1).

图1 塔机的有限元模型

表1 某型塔机各部件型材参数

2 塔机的有限元计算及结果分析

2.1 塔机的有限元计算

根据文献[3]和文献[5]对塔机的工作情况进行分析,选取其中5种典型工况:工况Ⅰ,吊重处于吊臂最远端;工况Ⅱ,吊重处于外拉杆处;工况Ⅲ,吊重处于内外拉杆正中间;工况Ⅳ,吊重处于内拉杆处;工况Ⅴ,吊重处于内拉杆与吊臂根部正中间处.

塔机主要钢结构是采用Q235钢,其主要材料性能参数参见表2.

表2 Q235钢主要材料性能参数

对于上述5种工况,分别施加如下载荷进行有限元计算.

工况Ⅰ :工况载荷为 1.15 t,即 11300 N,平衡重为6.8 t,即66640 N;

工况Ⅱ:工况载荷为 1.54 t,即15100 N,平衡重为6.8 t,即66640 N;

工况Ⅲ:工况载荷为 2.48 t,即24300 N,平衡重为6.8 t,即66640 N;

工况Ⅳ:工况载荷为 3.23 t,即31700 N,平衡重为6.8 t,即66640 N;

工况Ⅴ:工况载荷为 4.00 t,即 39200 N,平衡重为6.8 t,即66640 N.

各种不同工况下塔机整体结构的应力云图如图2所示.

2.2 塔机的有限元计算结果分析

查阅材料参数手册,可知Q235A碳钢的屈服应力值为235 MPa,按屈服应力所规定的安全因素,通常1.5≤ns≤2.2,取ns=2,经理论计算可得许用应力σ=σs/ns=117.5 MPa.

从上面的5种工况应力云图可以看出,各种工况下的最大应力依次分别为:73.42 MPa、76.52 MPa、112.3 MPa、102.8 MPa、78.25 MPa,各工况下的最大工作应力均小于 Q235A碳钢的许用应力,这说明该塔式起重机满足原始强度设计是满足要求的.

另外,由上面的5种工况应力云图还可以看出,塔机的最大工作应力发生在塔式起重机起重臂的部分.

2.3 塔机的结构的修改(优化)建议

对塔式起重机而言,其主要工作是起吊货物,因此货物重量和作用点的变化肯定会使起重臂上的应力随时发生大幅变化,且在起重机设计过程中,为了整机的性能,往往会减小起重臂构件的结构尺寸,虽然其静强度值较小,但其变化的应力幅值往往可能会较大.故为了使结构更为合理,可以对局部结构进行修改.

此外,对于塔式起重机这类超静定结构,不能采取简单办法去盲目的局部加强、加固,以免造成超静定结构内力的重新分配而形成新的危险区域.因此,可以根据本文所采用的有限元分析结果,在保证塔式起重机的静强度和稳定性的基础上,综合各种不同工况下的最大应力变化趋势,在应力幅较大的地方增加型材截面尺寸,而在应力幅较小的地方则可适当减小型材截面尺寸.

3 结论

1)有限元分析法是结构分析的快速有效的方法,Abaqus有限元软件对塔式起重机的整体钢结构应力分析是符合理论实际的,可以使复杂工程问题求解变得简单.

2)通过本文的分析,可以方便得到塔机所受到的最大、最小应力和结构变形情况,从而找出其危险点,为进一步优化设计提供了理论依据.

[1]曾 攀.有限元分析及其应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

[2]赵腾龙,姚新军.ABAQUS6.6在机械工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2007.

[3]王 进.基于有限元法的塔式起重机钢结构疲劳寿命研究[D].重庆大学图书馆,2005.

[4]周传月,腾万秀,张俊堂.工程有限元于优化分析应用实例教程[M].北京:科学出版社,2005.

[5]GB/T 13752-1992塔式起重机设计规范[S].北京:中国标准出版社,1993.