QTZ63塔式起重机有限元分析

第３期金玉萍：ＱＴＺ６３塔式起重机有限元分析

限元建模更加合理，应考虑：模型能全面准确地反映

塔机结构特点；模型受力应与塔机在工作时外载荷

作用下相同；模型的边界条件处理应与塔机实际工

作时保持一致．塔机有限元建模时，根据实际情况进

行必要简化．

（１）回转机构简化．在ＡＮＳＹＳ中，塔机计算主

要使用梁单元、杆单元和板壳单元来构建有限元模

型．对塔机结构进行整体分析时，可以将回转支承结构等实体部件采用梁杆单元进行等效，使塔机的整体分析中只包含梁单元，避免了具有不同结点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题．完成整体分析之后，将整体分析中得到的等效单元的结点力作为外载荷，采用板壳单元单独分析其回转机构．（２）塔身、起重臂简化．塔身底部结构刚度很大，简化为固接支座．起重臂根部简化为固定铰支座．起重臂与二根拉杆的连接及拉杆与塔顶的连接，均按固定铰支座处理．平衡臂的臂根和塔机回转节的连接、平衡臂和二根拉杆的连接及拉杆与塔顶的连接均为固定铰支座．塔顶与上回转支座的连接及下回转支座与塔身的连接作为固接支座处理．塔机中固定铰支座需要用铰链模拟，笔者采用耦合来模拟铰链．对于固接支座采用命令Ｄ，约束其全部自由度（ＵＸ，【腭，ＵＺ，ＲＯＴＸ，ＲＯＴｙ，ＲＯＴＺ）．

使用自由度耦合分析塔机更方便．塔机中需要放松弯矩的地方多为各部件的铰接处，在生成单元时，ＡＮＳＹＳ不必考虑各部件之间结点的衔接问题，各部件可单独建模，然后用耦合命令ＣＰ将部件联接处各相应结点自由度耦合起来即可，如图１．

图１塔机各部分耦合图

Ｆｉｇ．１Ｃｏｕｐｌｅｄｇｒａｐｈｏｆｓｔａｃｋｅ

对节点施加的约束，全部在节点坐标系中进行的．划分节点时，通过调整单元尺寸，使塔机试验报告中各检测点正好在划定的各节点上，如不能调整到正好重合，则取最近四点值的平均值作为该测点的值．有此得到该塔机有限元模型．模型共约１５０００个单元和节点，如图２．

图２塔机有限元图

Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｇｒａｐｈｏｆ

１．１载荷确定

作用在塔机上的载荷分为４大类，即基本载荷、附加载荷、特殊载荷、和其他载荷．载荷作以下简化．笔者讨论塔机提升重物悬停于空中，各机构处于非工作状态下，此时所受静载荷和冲击载荷不考虑，但风载的作用必须考虑的静力简化情况．

塔机一般在露天工作，必须考虑风载的作用．风载是可沿任意方向作用的水平力．风载作用于塔机的侧面（此时风载最大），重力作用下，工况为以下介绍的两者之一，其他各部分加上重力的情况下进行．具体载荷组合如下：（１）不考虑司机室、起升钢丝绳等的重量．吊钩组、变幅小车及牵引机构、爬升架、起升机构其重量很大或作用点特殊，均按其在作用点，施加等效的重力予以考虑；（２）各结构的重力，重力加速度予以考虑；（３）风载手动计算，平均计算按最不利方向直接施加在节点上．

塔式起重机风载分为工作状态风载和非工作状态风载两类．工作状态风载是指塔式起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力．又分为正常工作状态风载Ｆ。，和工作状态最大风载Ｆ。：两种；非工作状态风载Ｆ。。是指塔式起重机在非工作情况下所能承受的最大计算风力（如暴风产生的风力）．计算风载荷公式为

Ｆ。一Ｃ。Ｐ。Ａ（１）式中：Ｆ。为作用在塔式起重机和物品上的风载荷（Ｆ。，，Ｆ。：），Ｎ；Ｃ。为风力系数；Ｐ。为计算风压，Ｐａ；Ａ为垂直于风向的迎风面积，ｍ２．

以上均按《塔式起重机设计规范》确定．计算机构零件和金属结构的强度、刚度、和稳定性时选用工作状态最大计算风压Ｐ。。一２５０Ｐａ．实际风压是沿高度变化的，但在塔机分析中考虑风载时，工作状态风压产生的计算载荷对塔机零部件和结构的强度不起决定性的影响，因此工作状态计算风压不考虑高

度变化．风载荷计算结果如表１．

浙江工业大学学报第３８卷

表１作用在塔机上的载荷

Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｌｏａｄｏｎｓｔａｃｋｅｒｃｒａｎｅ

塔机上的载荷位置ＣⅣＡ／ｍ２Ｒ／Ｎ节铲７黼

１．２计算载荷的确定

载荷计算为

Ｑ计一（Ｆ口＋Ｇ＋Ｄ）?ｇ（２）式中：ＦＱ为由起重机特性曲线确定的额定载荷，ｋｇ；Ｇ为变幅小车重量，ｋｇ；Ｄ为吊钩组的重量，ｋｇ；ｇ为重力加速度，按９．８计算．

（１）工况一

由ＦＱ一６０００ｋｇ得

Ｑ计＝（６０００＋２３５＋１６０）×９．８—６２６７１Ｎ

起重臂采用变幅小车实现变幅．小车车轮与下弦杆视为４点接触，故由虚功原理将Ｑ计等效分配到临近的节点Ｎ。，Ｎ。，Ｎ。，Ｎ。上，如图３所示．结点Ｎ。，Ｎ：上的力为丢Ｑ计『≠］；结点Ｎ。，Ｎ。上的力

ｏＬ～Ｊ

为专Ｑ计［生｝兰］．本工况下起重臂的Ｌ＝Ｉ４９０ｍｍ，Ｘ＝５１５ｍｍ，则１，２两点力ＦＮｌ２—１０８３１Ｎ；３，４两点力ＦＮ３４—２０５０５Ｎ．

（２）工况二

由ＦＱ一１３００ｋｇ得

Ｑ计一（１３００＋２３５＋１６０）×９．８一１６６１１Ｎ

本工况下起重臂Ｌ—ｌ４９０ｍｍ，Ｘ一５１５ｍｍ，则１，２两点力ＦＮｌ２—２８７１Ｎ；３，４两点力ＦＮ３４—５４３５Ｎ．

２塔机整体结构的分析

采用ＢＥＡＭｌ８８单元建立塔机整体结构．编写命令流时，对各部分单独建模调试，然后组装塔机整体．各求解模块所用的模型相同，在ＧＵＩ下进行求解．为了便于对本分析结果的可靠性进行比较，选取与特种设备试验检测报告相同的两个工况进行分析．两个工况均是最易出现破坏的位置．工况一：吊重处于幅度为１３．５８１ＴＩ，吊重最大６ｔ．工况二：吊重处于幅度最大５０１ＴＩ，吊重为１．３ｔ，利用ＡＰＤＬ建立的有限元模型如图４和图５．

图４工况一塔机总位移

Ｆｉｇ．４Ｓｔａｃｋｅｒｃｒａｎｅ’Ｓｔｏｔａｌｓｈｉｆｔｏｎ

图４，５和表２，３中各测试点位置和规范按照特种设备型式试验报告中的相应位置进行．

由图４和表２可得，在工况一时，塔机的最大变形发生在起重臂的端部，ｙ负方向最大变形为７０９．６０６ｍｍ，总的最大变形为７３３．７３９ｍｍ．塔机的变形趋势主要由于吊重的重力作用，使平衡臂向上

＾‘翘起，起重臂向下变形，塔身向起重臂方向偏移而引图３Ｑ计的分配起．由于负Ｚ方向的风载作用，塔机整体向负Ｚ方Ｆｉｇ．３Ｔｈｅａｓｓｉｇｎａｔｉｏｎｏｆ“向偏移，在塔顶部位更是明显，这与实际相符．

表２工况一下塔机的应力值

Ｔａｂｌｅ２Ｓｔｒｅｓｓｏｆｓｔａｃｋｅｒｃｒａｎｅｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ１

测试点８９１０１１１２１３１４１５１６１７

总应力／ＭＰａ９６．４—２０．０—４５．９—７５．１３８．７—８１．７４２．５—８７．１５４．１２．９

自重应力／ＭＰａ２９．３～１．０—２８．０５９．４—５９．５４７．４—７５．５—２４．５—１１．７—３．８负载应力／ＭＰａ６７．１—１９．０—１７．９—１３４．５９８．２—１２９．１１１８—６２．６６５．８６．７

测试应力”／ＭＰａ５１．２—２６．１—１６．５—１１３．５８８．８—１６７．０９１．２—８４．７９０．２５．２

误差／％３１．１２７．２７．８１８．５１０．６２２．７２９．４２６．１２７．１２８．８

注：１）测试应力引自黄河旋风ＱＴＺ６３塔机检测报告

第３期金玉萍：ＱＴＺ６３塔式起重机有限元分析

由图５和表３得到，在工况二时，塔机的最大变形也发生在起重臂的端部，ｙ轴负方向最大变形为７１１．９８０ｍｍ，总的最大变形为７２８．８７９ｍｍ．塔机的变形趋势同样主要是由于吊重的重力作用，使平衡臂向上翘起，起重臂向下变形，塔身向起重臂方向偏移而引起．与工况一基本相同．

表２分析可得，不考虑动态测试点，在工况一时，测试应力与计算负载应力位于测试点８的最大误差为３１．１％；位于测试点ｌｏ的最小误差为７．８％．由表３分析可得：工况二时，测试应力与计算负载应力在测点１０的最大误差为３５．７％；在测点１１的最小误差为５．２％，其两者的分布趋势基本一致．由于误差较大点的应力远远小于材料的极限应力，故对塔机的设计影响不大．在塔机设计规范中，需要控制的是最大应力，在两种工况下，其最大应力均小于塔机材料的许用应力．

图５工况二塔机总位移

Ｆｉｇ．５Ｓｔａｃｋｅｒｃｒａｎｅ’Ｓｔｏｔａｌｓｈｉｆｔｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

表３工况二下塔机的应力值

Ｔａｂｌｅ３Ｓｔｒｅｓｓｏｆｓｔａｃｋｅｒ

ｃｒａｎｅｏｎ

ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ２测试点１２３４

总应力／ＭＰａ４６．０—３３．０１０２．０—５３．３自重应力／ＭＰａ５．０—４．５２２．３—１２．０负载应力／ＭＰａ４１．Ｏ一２８．５７９．７—４１．３测试应力”／ＭＰａ５３．２—２１．４９２．０—３３．１误差／％２３．０３３．２１３．４２４．７

０．７

—１４．７

１５．４

２１．８

２９．４

—３９．０

—１２．８

—２６．２

—３５．６

２６．５

２５．７

２９．３

—３．６

—３．１

１６．１

—４５．１—５４．５１１．０９．２４６．５３．４

—２８．０５９．４—５９．５—７５．５１１．７—３．７

—１７．１—１０７．９７０．５８４．７５８．２７．１

—２６．６一１１３．８８７．４１０２．４７８．１—９．１

３５．７５．２１９．３１７．３２５．５２２．０

注：１）测试应力引目黄河旋风ＱＴＺ６３塔机检测报告．

分析其误差原因有：（１）对检测报告的测试当天的风压的大小不明．本分析是按工作状态最大计算风压Ｐ础一２５０Ｐａ计算，计算工况与实际工况的差别，导致两者应力值的误差较大；（２）检测中应变片贴放的位置与有限元分析中所划分节点不完全重合，有误差；（３）塔机结构简化为有限元模型时，采用了简化几何模型，并对边界条件作了理想化处理；（４）有限元计算中为了收敛而引起了一些误差．针对以上误差，可以进一步精确建立几何模型，通过人工调节节点位置与测试点重合等方法进一步处理．

３结论

通过对上述两种工况的分析可知，用ＡＮＳＹＳ软件计算所得到的结果可以全面了解塔机各个部分的应力情况，直接得到结构的最大应力，还可以直观的得到结构的应力和位移分布．因此，利用ＡＮＳＹＳ的ＡＰＤＬ语言建立塔机有限元程序，将相关几何尺寸参数化后可用做塔机的初步设计和产品系列化设计以及检测前的模拟实验，为塔机设计提供直接的参考．该分析对工程现场有指导性意义，从而加快塔式起重机的设计速度．

参考文献：

［１］于兰峰．塔式起重机结构刚性及动态优化研究［Ｄ］．成都：西南交通大学，２００７．

［２］马鹏飞．附着式塔式起重机塔身结构有限元分析［Ｊ］．机械科学与技术，１９９８，１７（５）：７４８—７５０．

［３］雷鹏．基于无线网络的塔式起重机运行状态监测系统的研究与设计［Ｄ］．西安：西安建筑科技大学，２００８．

［４３苗雨顺，王乔，许芹祖．塔式起重机回转平台有限元分析［Ｊ］．建筑机械化，２００４（３）：５５—５６．

［５］王进，陈进，周宁波．塔式起重机吊臂结构的可视化计算方法口］．建筑机械，２００３（５）：４３—４６．

［６］陆念力，夏拥军，刘明思．塔式起重机结构动态分析的两种有限元模型及比较口］．建筑机械，２００２（１１）：４９—５１．

（责任编辑：刘

岩）

QTZ63塔式起重机有限元分析

作者：金玉萍， JIN Yu-ping

作者单位：西南科技大学,制造学院,四川,绵阳,621010

刊名：

浙江工业大学学报

英文刊名：JOURNAL OF ZHEJIANG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

年，卷(期)：2010,38(3)

参考文献(6条)

1.苗雨顺;王乔;许芹祖塔式起重机回转平台有限元分析[期刊论文]-建筑机械化 2004(03)

2.雷鹏基于无线网络的塔式起重机运行状态监测系统的研究与设计 2008

3.马鹏飞附着式塔式起重机塔身结构有限元分析 1998(05)

4.陆念力;夏拥军;刘明思塔式起重机结构动态分析的两种有限元模型及比较[期刊论文]-建筑机械 2002(11)

5.王进;陈进;周宁波塔式起重机吊臂结构的可视化计算方法[期刊论文]-建筑机械 2003(05)

6.于兰峰塔式起重机结构刚性及动态优化研究 2007

本文链接：https://www.wendangku.net/doc/c312114672.html,/Periodical_zjgydxxb201003002.aspx