塔式起重机多工况有限元分析

欧笛声 王雨时

（广西科技大学机械工程学院，广西，柳州 545006）

引言

随着塔式起重机技术的进步，塔机正不断向大型化发展，随之而来的结构稳定性问题也越来越重要[1].塔机的骨架是金属结构，其结构强度和刚度决定着塔机工作的可靠性和安全性。因此准确的模拟塔机结构、典型运行工况成为解决塔机设计问题的关键。本文以QTZ5613塔机为例建立了一种基于ANSYS的建模分析方法，以达到从设计阶段找出塔机工作状态的危险部位及振动对结构的影响的目的，从而为塔机的设计计算提供可靠数据和支持。

1. 塔机有限元模型建立

1.1 单元类型的选择

塔式起重机为空间实体结构，采用BEAM188单元因为BEAM188能够采用SECTYPE,SECDATA来定义任何截面形状。可以较好地再现角钢组合、方钢、角钢等实际形状，使计算更符合实际。因此塔身、平衡臂、重臂、塔顶主要杆件选择BEAM188梁单元进行建模。拉杆选择LINK180单元，因为此单元是有着广泛工程应用的杆单元，它可以用来模拟桁架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，就像铰接结构一样，本单元不承受弯矩。

1.2 塔式起重机整体建模

1 ）首先,塔机模型应与实际形状保持几何上的相同，对研究问题影响不大的局部结构可以适当简化。塔机计算主要使用梁单元、杆单元以及板壳单元来进行有限元模拟。对塔机进行整体分析时，可以将回转支撑等实体结构采用梁单元来进行模拟，使塔机整体结构中只包含梁单元，这样可以避免具有不同自由度的梁单元和板壳单元的连接问题出现。

2 ）设置截面：塔身外立柱采用角钢160×160×14、斜支撑采用角钢尺寸135×135×12×8、塔臂弦杆采用角钢尺寸135×135×12、塔臂内立柱及侧面杆钢管Φ50×8，R1=17mm，

R0=25mm、拉杆材料为48号圆钢横截面积为1810mm²、平衡臂部分的刚性梁，方钢300×200

用ANSYS建立整体模型如图1

图1 塔机有限元模型The finite element model of tower

2.施加载荷

2.1 自重载荷

基本载荷是正常工作时始终或经常作用在塔式起重机上的载荷，包括自重载荷、起升载荷和风载荷。

a. 自重载荷指除起升载荷外起重机各部分的总重量。它包括结构、机构、电器设备、以及附设在起重机上的存仓等的重力。

b. 当从地面提升起升质量时，塔式起重机受到的振动激励以起升冲击系数 乘以自重载荷Fg加以考虑。

QTZ5613塔机起重特性曲线如图2所示

图 2 塔机起重特性曲线Tower crane hoisting characteristic curve

3. 结果与分析

由于塔机的水平位移主要是由自重载荷及风载荷引起的，风载荷计算公式

其中 ---风力系数， ---风压工作状态时取250pa，A---迎风面积

根据计算公式可以求出各工况下的总载荷然后再用ANSYS软件分析出各种工况下塔身的水平位移 ,根据塔机的设计规范， ＜1.34H/1 00=1.34×42000/100=568.2mm，所以该塔机设计符合要求。

4.结论

本文通过ANSYS对塔式起重机进行建模与应力和刚度分析，找出了塔机危险工况下最大应力点的位置，验证了塔机的静刚度满足安全要求，对塔式起重机在各种工况中的位移、应力的研究可以为塔机的预警技术中安全监测点的选择提供一个模型上的支持。

【参考文献】

[1]GB/T 13752—92，塔式起重机设计规范 [S].

[2]李斌. 塔式起重机起重特性分析.沈阳：沈阳建筑工程学院学报，1991.