新型塔架門式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)有限元分析

劉祥偉，陳 昆，梅 杰，盧全國

(1.武漢理工大學(xué)物流工程學(xué)院，湖北武漢 430063;2.南昌工程學(xué)院機(jī)電學(xué)院，江西南昌 330099)

由于對某大橋中塔上部塔柱進(jìn)行大節(jié)段安裝的需要，設(shè)計(jì)了一種新型的塔架門式起重機(jī)。塔架門式起重機(jī)可利用塔腿頂升系統(tǒng)自行升降，其安裝及拆卸均比較方便。該起重機(jī)的特點(diǎn)是吊裝質(zhì)量大，吊裝高度高，工況復(fù)雜，因而對吊裝設(shè)備結(jié)構(gòu)的安全性能提出了較高的要求。為了保證設(shè)計(jì)的安全性，需要在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上用有限元分析的方法對結(jié)構(gòu)的各個工況進(jìn)行模擬和仿真，并進(jìn)行強(qiáng)度和靜態(tài)剛性的校核［1-3］。

1 塔架門式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工況分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及基本參數(shù)

塔架門式起重機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其主結(jié)構(gòu)由4個M900塔式起重機(jī)的塔腿作為支撐，兩片由端梁連接的主梁構(gòu)成的起升小車運(yùn)行平臺組合而成，是一臺具有雙向外伸臂的門式起重機(jī)。

圖1 塔架門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

該起重機(jī)部分相關(guān)參數(shù)如下:額定起重量為500 t;跨度為42.8 m;有效懸臂長度為12 m;起升高度為200 m。

隨著吊裝工程的進(jìn)行，起升高度會不斷增高。為了保證塔腿的穩(wěn)定性，在整個工作流程中，根據(jù)對塔柱的吊裝要求，在前伸距10.5 m至后伸距6 m，額定起重量為5000 kN;在前伸距12～10.5 m之間，額定起重量為2500 kN。

1.2 計(jì)算工況及計(jì)算載荷

根據(jù)起重機(jī)的工作特點(diǎn)確定起重機(jī)的計(jì)算工況共37種，具體如表1所示。

不同計(jì)算工況下的計(jì)算載荷不同。計(jì)算載荷除起重量外，還應(yīng)考慮鋼絲繩質(zhì)量、結(jié)構(gòu)自重(含梯子平臺)、小車自重、立柱上輔助吊機(jī)自重及力矩、機(jī)器房自重、起升機(jī)構(gòu)自重、運(yùn)行機(jī)構(gòu)自重、電器設(shè)備自重、機(jī)房平臺輔助吊機(jī)自重及力矩等多種載荷［4］。

另外，由于起重機(jī)的高度變化大，必須考慮風(fēng)載荷的大小隨起升高度變化的影響。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合起重機(jī)工作地風(fēng)速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，取工作狀態(tài)下最大風(fēng)速v=17 m/s，最大工作風(fēng)壓為qⅡ=177.2 N/m2;非工作狀態(tài)下最大風(fēng)速v=36 m/s，最大非工作風(fēng)壓 qⅢ=794.5 N/m2。

2 有限元模型的建立及結(jié)果分析

2.1 有限元模型的建立

采用通用有限元分析軟件ANSYS對塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

表1 塔架門式起重機(jī)計(jì)算工況

由于塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸較大，變形也較大，主梁、支腿、扶墻與中塔之間受力的相互影響不能忽略，因此需要采取整機(jī)建模進(jìn)行分析。

另外，每個起升高度的有限元模型均不同，為了提高建模效率和分析通用性，建模時采用參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(APDL)。APDL是一種類似于PORTRAN的解釋性語言，提供一般程序語言的功能，并擴(kuò)展了更高級運(yùn)算，包括靈敏度研究、零件庫參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)等。利用APDL語言組織管理ANSYS的有限元分析命令，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模和分析，極大地提高分析效率［5-7］。該塔架門式起重機(jī)建模的部分命令流如下:

由于塔腿是M900的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拼裝而成的，因此，在分析中將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建為一個專門的塊，可提高分析效率。塔架門式起重機(jī)有限元模型如圖2所示。扶墻力的準(zhǔn)確性對設(shè)計(jì)后期的扶墻系統(tǒng)設(shè)計(jì)有較大的影響，因此建模時均按實(shí)際位置和尺寸建立。扶墻框及扶墻桿如圖3所示。

2.2 約束處理與載荷施加

圖2 塔架門式起重機(jī)有限 元模型

圖3 扶墻框及扶墻桿

由于整機(jī)結(jié)構(gòu)中鉸點(diǎn)較多，如不進(jìn)行合理處理，會在計(jì)算中出現(xiàn)局部應(yīng)力過大等與實(shí)際不相符的情況。如果對桁架中所有的鉸點(diǎn)均按實(shí)際方式進(jìn)行耦合處理，雖然運(yùn)行的結(jié)果較準(zhǔn)，但運(yùn)算時間較長，效率低。通過比較不同建模方式和其計(jì)算結(jié)果可知，對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)中的大多數(shù)鉸點(diǎn)均可做桁架形式的固接撐桿處理，而對主梁與塔腿之間、扶墻桿兩端的鉸連接則需按實(shí)際情況處理［8］。

貨物、吊具和小車等部件的質(zhì)量以節(jié)點(diǎn)力的形式加載在小車車輪處的節(jié)點(diǎn)上。鋼結(jié)構(gòu)的自重由有限元程序自動計(jì)入，其他載荷均加在對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上［9］。其中風(fēng)載荷的加載需根據(jù)公式PⅡ=CKhqⅡA和PⅢ=CKhqⅢA計(jì)算的結(jié)果求出不同高度的風(fēng)載荷，并按從下到上數(shù)值逐步增加的形式合理分配到整機(jī)模型的各個節(jié)點(diǎn)上。由于節(jié)點(diǎn)數(shù)目太多，因此，這一過程需要由加載程序通過循環(huán)計(jì)算自動進(jìn)行。圖4為塔腿結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷的加載情況。圖5為工況31局部應(yīng)力放大圖。

圖4 塔腿的風(fēng)載荷加載

圖5 工況31局部應(yīng)力放大圖

2.3 結(jié)果分析

將全部工況的載荷依次加到有限元模型上進(jìn)行計(jì)算，得到全部工況下的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)最大垂直撓度，結(jié)果如表2所示。

2.3.1 靜態(tài)剛性校核

塔架門式起重機(jī)靜態(tài)剛性以滿載小車位于跨中時的主梁跨中撓度和位于懸臂端時的主梁懸臂撓度來表征［10-11］。此時，整機(jī)加載不考慮動荷系數(shù)，并且不計(jì)梁的自重，只考慮額定起升載荷和小車自重引起的撓度。

表2 應(yīng)力和撓度計(jì)算結(jié)果

主梁跨中許用撓度為「f1?≤L/700=42800/700≈61 mm。主梁懸臂端許用撓度為「f2?≤L/350=10500/350=30 mm。

由于整臺起重機(jī)的高度高，故在計(jì)算中不能忽略主梁支座本身的下沉量，故在進(jìn)行靜態(tài)剛性計(jì)算時，需要考慮主梁支座位移的折算撓度，具體結(jié)果如表3所示。

表3 主梁撓度計(jì)算結(jié)果

2.3.2 強(qiáng)度校核

塔架門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料均采用Q345B或與其等效的鋼材，取安全系數(shù)為1.33，材料Q345的屈服極限為345 MPa，因此該結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力為:

從全部工況的計(jì)算結(jié)果中可以看出，起重機(jī)在工作中最危險工況出現(xiàn)于工況31，其最大應(yīng)力為179 MPa，位于主梁的右端位置;而在非工作狀態(tài)下，最危險工況出現(xiàn)于工況32，最大等效應(yīng)力為145 MPa，位于塔腿和扶墻的連接位置。工況33垂直方向變形云圖如圖6所示。

當(dāng)起重機(jī)位于最高位置且遇到暴風(fēng)時，由于塔腿的懸臂端過長，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力超出許用值，可通過加防風(fēng)拉索加以控制，重新計(jì)算后，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為110 MPa。

2.3.3 其他主要部件校核

由于塔腿與主梁的連接支座在結(jié)構(gòu)中起承上啟下的關(guān)鍵作用，因此可在提取最大支座反力的基礎(chǔ)上使用板單元建模進(jìn)行細(xì)部的詳細(xì)計(jì)算。在計(jì)算時，首先提取支座處線載荷，也就是梁單元模型在該處的應(yīng)力，即:

接著將它們與節(jié)點(diǎn)的位置規(guī)律運(yùn)用表數(shù)據(jù)的格式表示出來，然后使用ANSYS中的pressure命令施加相應(yīng)的線載荷進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖6 工況33垂直方向變形云圖

圖7 主梁與塔腿連接支座應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上采用有限元分析方法對新型塔架門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的各個工況進(jìn)行仿真和比較精確的分析計(jì)算，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性和安全性。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該塔架門式起重機(jī)主結(jié)構(gòu)及其他部件的強(qiáng)度、靜態(tài)剛性均在許用值的范圍內(nèi)，完全滿足使用要求。

在有限元分析的過程中，有以下幾個創(chuàng)新點(diǎn):

(1)對塔架門式起重機(jī)的主結(jié)構(gòu)及其附件進(jìn)行整機(jī)建模，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對整機(jī)結(jié)構(gòu)中鉸點(diǎn)比較多的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了處理，提高了計(jì)算的合理性。

(2)采用APDL語言編寫了有限元分析的命令流文件，并針對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)編制了標(biāo)準(zhǔn)塊，大大提高了計(jì)算的效率。

(3)在對塔架門式起重機(jī)的全部工況進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，對所有工況進(jìn)行了模擬和分析，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)全工況分析，為塔架門機(jī)的設(shè)計(jì)提供了精確的參考數(shù)據(jù)。

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