基于ANSYS的塔式起重机温度物理场强度分析

王宏臣

（淮安信息职业技术学院，江苏淮安223003）

1 有限元模型建立

对塔式起重机模型进行有限元网格划分（图1），对不同部分赋予不同材料，如塔身部分为钢铁材质，配重和底座为混凝土材质，相关材质的属性如表1所示。

图1 塔式起重机有限元模型

表1 不同材质属性表

2 有限元分析

2.1 温度场分布

在一些特殊工作环境下，比如沙漠，地表温度一般很高，能达到70～80℃，塔吊的底部会达到很高温度，而塔吊顶处在空气中，温度一般不高。对于这种特殊工况下的塔吊分析，目前还没有看到相关文献，有必要对此进行相关研究。

将塔吊起重臂以上的部分初始温度设置为20℃，塔基的初始温度设置为50℃，施加载荷，将分析设置为稳态传热分析，最终温度场分布如图2所示，可看出整个温度分布呈现线性梯度。

2.2 温度场对应力的影响

温度场产生的应力场如图3所示，最大应力为109.1 MPa，主要受力部位是塔吊吊身和塔基连接处。

2.3 模态分析

模态分析是研究结构动力特性的一种方法，一般应用在工程振动领域。其中，模态是指机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率和模态振型。

图2 温度场分布

图3 温度产生的应力

分析50阶模态，主要振型为塔吊悬臂的整体位移、塔吊配重的振动、悬臂绳的振动、悬臂绳和悬臂柱的振动。不加温度场50阶模态的前5阶频率值如表2所示。将上面分析的温度场导入到模态分析模块中，分析其对模态的影响，得到前5阶模态频率值如表2所示。由表2对比可知，温度影响下的模态频率值会比正常情况下的频率值低，其主要原因是高温导致了材料弹性模量减小，模型的刚度减小，故其频率值降低。后45阶对比结论相同。

表2 模态频率值

3 结构优化

由以上分析发现，塔吊的薄弱环节在四个支撑脚处，故需对其进行优化处理，在此主要有两种优化方式：（1）尺寸加大；（2）方管换成圆管，并进行尺寸加大。

首先分析第一种优化方法，优化处尺寸及三维模型如图4所示，其中拉伸高度为0.1 m。

图4 优化方法（1）尺寸及三维模型

再选择第二种优化方法，其尺寸及三维模型如图5所示，拉伸高度也是0.1 m。

图5 优化方法（2）尺寸及三维模型

4 结论

结构优化后，对耦合工况进行分析，具体结果如图6所示。

图6 自重+吊重+温度

由图可知，最大应力为348.5 MPa，分析结果显示：相同工况下，优化后最大应力值比优化前的值都小，且四个支撑脚处已经没有出现最大值，所以优化是合理的。