起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析

董富祥

摘 要：本文利用ANSYS軟件對塔式起重機(jī)進(jìn)行有限元分析，建立起塔式起重機(jī)簡化模型，對其各個位置處應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算，為塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)及計(jì)算提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：起重機(jī)；有限元分析；ANSYS

中圖分類號：TH213 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0.引言

塔式起重機(jī)對現(xiàn)代工業(yè)與建筑行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，其構(gòu)造為鋼結(jié)構(gòu)，承受著所有的荷載及自身重量。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力值的大小直接決定著起重機(jī)設(shè)計(jì)所需材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)，從而起重機(jī)的質(zhì)量。為使材料能滿足起重機(jī)應(yīng)力要求，對其進(jìn)行有限元分析便十分有必要。本文通過對應(yīng)力值與許用應(yīng)力的大小相比較，得出材料是否適用的相關(guān)結(jié)論，為塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)提供了參考。

1.有限元模型的建立

有限元模型的建立對起重機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析起著決定性作用，其模型建立的過程是將真實(shí)結(jié)構(gòu)簡化模擬仿真并對其主要參數(shù)精度進(jìn)行控制。模型建立的方法要根據(jù)所要分析的目的，分析整體結(jié)構(gòu)時要將視點(diǎn)放置于遠(yuǎn)方，分析局部結(jié)構(gòu)時要將視點(diǎn)放置于拉近時位置。具體模型的建立過程如下：

1.1模型的簡化處理

模型的設(shè)置既要控制計(jì)算量，又要保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。因而在模型設(shè)定的時候?qū)λ狡鹬貦C(jī)進(jìn)行了一系列簡化處理：（1）將幾何結(jié)構(gòu)、剛度回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等效設(shè)置為梁單元；（2）對平衡臂部分截面尺寸適當(dāng)當(dāng)加大從而有效地模擬平衡重；（3）為簡化模型結(jié)構(gòu)，將對計(jì)算結(jié)果影響較小的結(jié)構(gòu)如起重鋼絲繩、司機(jī)室等忽略處理；（4）按梁單元處理起重臂與平衡臂的斜拉索；（5）采用質(zhì)量單元模擬質(zhì)量較小且集中的變幅機(jī)構(gòu)等塔機(jī)附件。

1.2單元的選取

對于起重機(jī)結(jié)構(gòu)模型的建立，本文在不影響塔機(jī)結(jié)構(gòu)的受力原則下，整機(jī)結(jié)構(gòu)自重根據(jù)模型，通過施加重力加速度由程序自行計(jì)算。有限元建模的簡化過擦恒會使自重略有減小，可以通過增大材料密度來對其進(jìn)行補(bǔ)償。在一些質(zhì)量集中處，如起升機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)、平衡重及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，可以通過在相應(yīng)位置處增加質(zhì)量單元。模型整個臂架機(jī)構(gòu)離散為1345個單元，其中583個梁單元，1867個桿單元，21個質(zhì)量單元，1006個節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖1所示。

1.3材料屬性的定義及邊界條件的設(shè)置

起重機(jī)模型建立時材料的選擇如下：腹桿材料選擇Q235B，塔身?xiàng)U件、拉桿、平衡臂弦桿和塔機(jī)起重臂材料選擇Q345A，模型的邊界約束條件選取盡量和實(shí)際工況一致。由于起重機(jī)底部剛度很大，因而在模型的建立過程默認(rèn)底部可承受較強(qiáng)彎矩，支座固定。本文研究的工況為，工況一：起重量Q=22t，工作幅度R=23.5m；工況二：起重量Q=0t，風(fēng)荷載計(jì)算工作狀態(tài)：Pw=CqA，其中，C為風(fēng)力系數(shù)；q為計(jì)算風(fēng)壓，A為迎風(fēng)面積，非工作狀態(tài)：Pw=CKhqA，并以節(jié)點(diǎn)荷載形式施加在結(jié)構(gòu)相應(yīng)各節(jié)點(diǎn)上。

2.結(jié)構(gòu)載荷的模型化處理

在建模處理時，塔機(jī)的計(jì)算載荷必選采用最不利工況下的載荷，這樣才能保證運(yùn)行的可靠性和安全性。自重載荷的建模過程由于軸銷連接、螺栓連接等連接方式忽略，因而建模后質(zhì)量會比實(shí)際工程質(zhì)量小，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，可考慮將材料的密度增大。增大重力加速度也可以減少由于模型質(zhì)量減輕帶來的影響，但使用這種方法會對結(jié)構(gòu)在靜態(tài)及瞬態(tài)動力學(xué)分析時，造成單元質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力變大，從而影響計(jì)算結(jié)果。建模通過加速度對回轉(zhuǎn)和啟動、制動引起的慣性荷載進(jìn)行施加。起升荷載的施加用集中應(yīng)力來模擬，風(fēng)荷載的施加以集中應(yīng)力的形式通過公式計(jì)算分散到各個節(jié)點(diǎn)上。

3.應(yīng)力分析

3.1起重臂應(yīng)力分析

對于工況一，其材料Q235和Q345許用應(yīng)力分別為175MPa和257MPa。

對于起重臂的上弦桿最大應(yīng)力位置在單元199，應(yīng)力值為-59.8MPa；最大拉應(yīng)力位置在單元542，其應(yīng)力值為61.3MPa，模擬值和實(shí)際情況較為符合。對于起重臂下弦桿，其最大壓應(yīng)力位置在單元23，最大壓應(yīng)力值為-247.5MPa，小于材料許用應(yīng)力。圖3為下弦桿應(yīng)力局部放大圖，壓應(yīng)力值符合實(shí)際情況。

3.2平衡臂應(yīng)力分析

對于平衡臂弦桿的應(yīng)力，其最大值發(fā)生在上弦桿處的單元313，應(yīng)力值為-158MPa，小于材料的許用應(yīng)力。

3.3塔身應(yīng)力分析

塔身主肢的最大應(yīng)力發(fā)生在單元1602，最大應(yīng)力值為-215MPa，小于材料的許用應(yīng)力。

4.應(yīng)注意的問題

在建模過程中，應(yīng)注意可能會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響的問題。首先是量綱的選擇問題，量綱的選擇直接影響計(jì)算的精度。在計(jì)算的過程中，幾何模型的參數(shù)過大或過小便會存在舍入誤差、起重機(jī)的ANSYS分析中主要用到的量綱為質(zhì)量、長度、應(yīng)力、重力加速度等，單位應(yīng)統(tǒng)一處理。

結(jié)語

計(jì)算機(jī)的使用對于塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)分析起到重大作用，分析時首先經(jīng)過合理的簡化建模，根據(jù)某一工況對所建模型進(jìn)行計(jì)算，然后得到其各個位置處的應(yīng)力值，將其應(yīng)力值與所選擇材料的許用應(yīng)力相比較，分析該材料的可用性，對塔式起重機(jī)的合理設(shè)計(jì)及計(jì)算體提供一定參考。

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