起重机结构有限元分析

董富祥

摘 要：本文利用ANSYS软件对塔式起重机进行有限元分析，建立起塔式起重机简化模型，对其各个位置处应力值进行计算，为塔式起重机的设计及计算提供一定的参考。

关键词：起重机；有限元分析；ANSYS

中图分类号：TH213 文献标识码：A

0.引言

塔式起重机对现代工业与建筑行业的应用非常广泛，其构造为钢结构，承受着所有的荷载及自身重量。钢结构应力值的大小直接决定着起重机设计所需材料是否符合标准，从而起重机的质量。为使材料能满足起重机应力要求，对其进行有限元分析便十分有必要。本文通过对应力值与许用应力的大小相比较，得出材料是否适用的相关结论，为塔式起重机的设计提供了参考。

1.有限元模型的建立

有限元模型的建立对起重机结构有限元分析起着决定性作用，其模型建立的过程是将真实结构简化模拟仿真并对其主要参数精度进行控制。模型建立的方法要根据所要分析的目的，分析整体结构时要将视点放置于远方，分析局部结构时要将视点放置于拉近时位置。具体模型的建立过程如下：

1.1模型的简化处理

模型的设置既要控制计算量，又要保证计算的准确性。因而在模型设定的时候对塔式起重机进行了一系列简化处理：（1）将几何结构、刚度回转机构等效设置为梁单元；（2）对平衡臂部分截面尺寸适当当加大从而有效地模拟平衡重；（3）为简化模型结构，将对计算结果影响较小的结构如起重钢丝绳、司机室等忽略处理；（4）按梁单元处理起重臂与平衡臂的斜拉索；（5）采用质量单元模拟质量较小且集中的变幅机构等塔机附件。

1.2单元的选取

对于起重机结构模型的建立，本文在不影响塔机结构的受力原则下，整机结构自重根据模型，通过施加重力加速度由程序自行计算。有限元建模的简化过擦恒会使自重略有减小，可以通过增大材料密度来对其进行补偿。在一些质量集中处，如起升机构、变幅机构、平衡重及回转机构等，可以通过在相应位置处增加质量单元。模型整个臂架机构离散为1345个单元，其中583个梁单元，1867个杆单元，21个质量单元，1006个节点，其有限元模型如图1所示。

1.3材料属性的定义及边界条件的设置

起重机模型建立时材料的选择如下：腹杆材料选择Q235B，塔身杆件、拉杆、平衡臂弦杆和塔机起重臂材料选择Q345A，模型的边界约束条件选取尽量和实际工况一致。由于起重机底部刚度很大，因而在模型的建立过程默认底部可承受较强弯矩，支座固定。本文研究的工况为，工况一：起重量Q=22t，工作幅度R=23.5m；工况二：起重量Q=0t，风荷载计算工作状态：Pw=CqA，其中，C为风力系数；q为计算风压，A为迎风面积，非工作状态：Pw=CKhqA，并以节点荷载形式施加在结构相应各节点上。

2.结构载荷的模型化处理

在建模处理时，塔机的计算载荷必选采用最不利工况下的载荷，这样才能保证运行的可靠性和安全性。自重载荷的建模过程由于轴销连接、螺栓连接等连接方式忽略，因而建模后质量会比实际工程质量小，为保证计算的准确性，可考虑将材料的密度增大。增大重力加速度也可以减少由于模型质量减轻带来的影响，但使用这种方法会对结构在静态及瞬态动力学分析时，造成单元质量产生的惯性力变大，从而影响计算结果。建模通过加速度对回转和启动、制动引起的惯性荷载进行施加。起升荷载的施加用集中应力来模拟，风荷载的施加以集中应力的形式通过公式计算分散到各个节点上。

3.应力分析

3.1起重臂應力分析

对于工况一，其材料Q235和Q345许用应力分别为175MPa和257MPa。

对于起重臂的上弦杆最大应力位置在单元199，应力值为-59.8MPa；最大拉应力位置在单元542，其应力值为61.3MPa，模拟值和实际情况较为符合。对于起重臂下弦杆，其最大压应力位置在单元23，最大压应力值为-247.5MPa，小于材料许用应力。图3为下弦杆应力局部放大图，压应力值符合实际情况。

3.2平衡臂应力分析

对于平衡臂弦杆的应力，其最大值发生在上弦杆处的单元313，应力值为-158MPa，小于材料的许用应力。

3.3塔身应力分析

塔身主肢的最大应力发生在单元1602，最大应力值为-215MPa，小于材料的许用应力。

4.应注意的问题

在建模过程中，应注意可能会对模拟结果产生影响的问题。首先是量纲的选择问题，量纲的选择直接影响计算的精度。在计算的过程中，几何模型的参数过大或过小便会存在舍入误差、起重机的ANSYS分析中主要用到的量纲为质量、长度、应力、重力加速度等，单位应统一处理。

结语

计算机的使用对于塔式起重机的结构分析起到重大作用，分析时首先经过合理的简化建模，根据某一工况对所建模型进行计算，然后得到其各个位置处的应力值，将其应力值与所选择材料的许用应力相比较，分析该材料的可用性，对塔式起重机的合理设计及计算体提供一定参考。

参考文献

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