吳俊峰

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450015）

ANSYS在塔機結構設計中的應用

吳俊峰

（華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450015）

傳統(tǒng)設計方法下塔式起重機試制樣機成本高、設計效率低，用ANSYS軟件對QTZ40型塔式起重機進行建模與有限元分析，對金屬結構的連接、約束、載荷進行有效處理，通過對塔機結構的強度和剛度校核，驗證了塔機設計方案的合理性，也證實了有限元分析法的可行性，為塔機產(chǎn)品的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

塔機；ANSYS；有限元

0 引言

塔式起重機 （以下簡稱塔機）是一種重要的施工機械，由于具有工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸簡便等優(yōu)點，已成為工程建設中的主要機種之一。傳統(tǒng)的設計方法普遍是依據(jù)材料力學中的許用應力校核原理得出的，真正分析的對象僅僅是結構的截面形狀和面積等參數(shù)。由于受工作量限制，該方法只能驗算幾個在理論上認為是危險的截面，計算的精度一開始就受到限制，不僅工作量很大并且具有一定的盲目性，已不能適應由激烈市場競爭造成的最短周期產(chǎn)品設計的要求。

ANSYS是一種運用廣泛的通用有限元分析軟件，它是集結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學、教學科研等眾多領域。在工程設計和分析中受到越來越廣泛的重視，其計算結果不僅詳盡，而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進行機械產(chǎn)品的設計計算將會極大地提高設計效率、保證其設計質(zhì)量，盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，從而有效地縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的結構和性能更加合理。

1 塔機結構建模

塔機在工作過程中絕大部分的載荷來自自重和吊重的作用，還包括沖擊載荷、風載荷等，但是無論這些外界載荷作用點在塔機的什么部位，最終都要傳遞給塔機鋼結構，因此塔機的結構性能很大程度上決定了整機質(zhì)量的好壞。本文用ANSYS軟件對QTZ40塔機的結構進行靜態(tài)強度和剛度分析，計算出塔機結構的應力和變形。模型建立的依據(jù)為塔機結構設計的原始尺寸，金屬結構采用普通碳素結構鋼Q235,該材料的彈性模量E= 210GPa，泊松比μ=0.3，屈服極限σs=235MPa，密度ρ= 7800kg/m3。由于塔機的實際結構主要是由桁架焊接成的，且?guī)缀文Ｐ秃軓碗s，結合其實際受力特點，有限元模型的單元類型選擇彈性三維梁單元 BEAM4，它是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。在建模過程中，為了保證結構模型的有效完整和實際的可操作性，做了以下兩點處理。

（1）主弦桿和腹桿的每個連接點都根據(jù)實際尺寸建立了節(jié)點，另外每段臂節(jié)的連接點也建立了節(jié)點，保證有限元模型與塔機在幾何上相同。

（2）對結果影響不大的局部結構 （如鋼絲繩、吊鉤等）由于它們的質(zhì)量與整個結構相比顯得很小，為建立模型方便可以不用考慮。

靜態(tài)有限元分析是計算在固定不變的載荷作用下的結構響應，不考慮慣性和阻尼的影響以及結構隨時間變化的載荷情況。在塔機產(chǎn)品設計初期全面了解其在不同工況下的強度狀況，確定應力、應變危險點，為塔機的結構優(yōu)化設計進行分析指導。

圖1 塔機結構有限元模型Fig.1 The finite element model of tower crane structure

2 有限元分析主要步驟

應力、應變分析是結構設計分析的基本內(nèi)容，而塔機結構靜強度分析的主要任務就是計算在固定載荷作用下結構的應力及變形，以便對其強度和剛度進行校核，保證結構既安全、正常工作，又符合經(jīng)濟性的要求。

2.1 載荷

塔機結構靜強度分析計算時需要考慮的主要載荷包括自重載荷、起吊載荷、沖擊載荷、風載荷。下面詳述如下：①自重載荷：金屬結構自重鋼材密度取7.8×103kg/m3；②起吊載荷：塔機總起重量的重力，考慮工況的不同，起吊載荷也會不同；③沖擊載荷：起重小車運行時，由于軌道不平整，通過起升荷載乘以動力放大系數(shù)來考慮起升荷載的動載效應，取沖擊系數(shù)為1.1，起升制動加速度按照 0.1m/s2考慮；④風載荷：工作狀態(tài)風載荷Fw=CwPwA，其中Pw為風壓，取工作狀態(tài)Pw=250N/m2；Cw為風力系數(shù)，取工作狀態(tài)Cw=1.3；A為迎風面積。

2.2 工況

根據(jù)QTZ40型塔機的工作特點，這里分三種工況進行計算分析：①前端加載1t；②臂架中間加載2.2t；③最近端加載 4t。

計算中載荷施加情況和采用的單位如下。定義一個沿著塔機模型重力方向 (本文是沿整體坐標系 -Y軸 )的重力加速度，讓自重以慣性力的形式加在每個單元上，風載以面壓力的形式加在臂架架體迎著風向的受力面上，根據(jù)理論計算分析，在塔機工作時，風側(cè)向吹時最為不利，因此這里僅考慮側(cè)向風載荷。本文中計算值單位：應力數(shù)值單位為MPa，變形數(shù)值單位為mm。

圖2 工況1應力及變形Fig.2 The stress and deformation of working condition 1

2.3 約束處理

塔機下端四個角位置處全約束，限制3個平動自由度和 3個轉(zhuǎn)動自由度，除此以外，所有的節(jié)點均為自由節(jié)點。

圖3 工況2應力及變形Fig.3 The stress and deformation of working condition 2

2.4 計算結果及分析

計算結果表明：通過對各種工況下計算的應力及變形圖進行分析，其中最大應力為124.3MPa，小于鋼材的許用應力值[σ] =180MPa，所受靜強度低于材料的強度極限，滿足設計時的性能要求。Y向變形最大值為124mm，小于許用值42000mm/250=168mm，滿足強度和剛度要求，根據(jù)撓度的變形值，在制造時預先制作好上翹度，這樣在起吊荷載的時候，可以保證臂架的水平度，有利于小車的平穩(wěn)運行。綜上可以看出整個塔機結構的應力和變形滿足規(guī)范設計要求，可以很好地分析出塔機結構的整體應力分布等特性，從應力分析角度看，材料抵抗破壞的能力有很大潛力。綜合評價：塔機結構設計趨于保守，能在危險工況下安全工作，而且具有較大的優(yōu)化空間，可通過結構優(yōu)化來合理經(jīng)濟的使用材料。

圖4 工況3應力及變形Fig.4 The stress and deformation of working condition 3

3 結論

（1）建立了塔機結構的BEAM4單元模型，并結合實際受力特點施加等效的節(jié)點約束和各種載荷，對其進行強度、剛度分析與校核，對載荷的施加、結構件之間的連接及約束根據(jù)實際結構作了適當處理，避免了局部計算應力過大與實際情況不相符的現(xiàn)象。

（2）分析了塔機結構工作過程中的工況及承受的載荷，進行了強度與剛度計算。通過ANSYS軟件建立塔機結構模型并對之進行有限元分析，是一種行之有效的結構設計和驗證方法，在結構設計中起到非常重要的作用，可以使塔機設計者在虛擬設計階段就可以很容易地分析和修改設計方案，避免了傳統(tǒng)設計方法中昂貴耗時的樣機的制造，降低了生產(chǎn)成本，縮短了開發(fā)周期，有利于提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量和公司的市場競爭能力。

[1]龔曙光.ANSYS工程應用實例解析[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003.

[2]趙偉，王良文，徐中明.塔式起重機整體結構有限元分析[J].機械與電子，2006，10.

[3]吳啟鶴.塔式起重機的應用和計算[M].成都：四川科學技術出版社，1996.

The Application of ANSYS in the Structure Design of Tower Crane

WU Jun-Feng
（Huadian Zhengzhou Machinery Design Research Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450015,China）

Traditional design methods of tower crane manufacture prototype cost is high,the design efficiency is low,Establish model and finite element analysis with ANSYS,deal with the connection、constraints、load of metal structure effectively,through tower crane structure strength and rigidity check,to validate the rationality of the design of tower crane,also confirmed the feasibility of finite element analysis method，as to provide theoretical basis for optimum design of tower crane products.

tower crane；ANSYS；finite element

TP391.9

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.038

1002－6673（2014）03－096－03

2014－03－03

吳俊峰 (1982-)，男，河南鄭州人，工程師，工學碩士。從事水電站起重設備方面的設計研發(fā)工作。