基于ansys的塔式起重机起重臂动力学分析

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基于ANSYS的塔式起重机起重臂动力学分析李娟娟，费烨，谢正义（沈阳建筑大学交通与机械工程学院，辽宁沈阳110168）摘要：基于ANSYS对某塔式起重机起重臂进行有限元建模，通过瞬态动力学的求解，对塔机在工况水平变幅及载荷起升瞬间对起重臂结构的动态冲击作了探讨和分析，模拟塔机在变幅及起升过程中的情况，获得了载荷冲击对起重臂结构应力情况，进而分析塔机起重臂结构在动态冲击中的影响，为塔机设计及操作施工等提供了参考。关键词：ANSYS；塔式起重机；动力学分析中图分类号：TP317文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2009.03.048整体而言几何尺寸较小、刚度大、质量集中，对塔机结构整体分析时，将回转结构等实体部件采用等效处理，减少塔机整体分析中的单元种类，方便进行后处理。在完成整体分析后，将分析中得到的等效单元的结点力作为外载荷，再单独分析回转结构；②塔机附件由于相对塔机整体结构而言几何尺寸小、质量集中，对整体结构进行分析时，将附件等实体部件采用等效处理；对于变幅钢丝绳，分布比较均匀，可通过改变相应杆件的密度来添加其质量。变幅小车、吊钩因与吊重同步，可将其质量及吊重一起作为起升载荷处理，根据圣维南原理，这种处理仅影响附件、吊钩及变幅小车作用点附近的局部应力大小及分布，而对塔机整体应力变化及分布无大的影响。（2）单元的选择。由于塔机是空间结构，ANSYS中选用三维的有限元单元。三维梁单元有BEAM4、0引言塔式起重机（简称塔机）作为现代施工中的关键起重设备，金属结构作为塔机的主要骨架，其结构强度和刚度决定着塔机的工作可靠性和安全性。随着高层建筑结构的增多，塔机的满载率加大，工作繁忙程度加重，有些塔机大部份工作时间已在高应力水平下运行，特别是塔机在满载起升及满载变幅等动态冲击载荷对塔机结构产生的应力冲击影响，是塔机在工作中结构破坏主要原因之一，因此，对其进行结构静态和动态分析是塔机设计中一项极为重要的工作。由于在工程试验及检测中多采用过载方式进行加载，从静力学的角度考虑塔机结构的动态效果，为了更好地对当前塔机结构在工作情况下的动态响应情况进行分析，本文利用瞬态动力学的方法，基于ANSYS对塔机起重臂进行动力学求解，分析塔机在载荷动态冲击下起重臂的结构动态响应，为塔机的开发设计和施工安全提供参考。BEAM44、BEAM188和BEAM189等，这些单元各具特点，可以满足不同的分析要求。根据塔机结构的特征，对于塔身、平衡臂及起重臂主要杆件处理为梁单元，选择BEAM188单元进行模拟即可满足分析要求。BEAM188单元建立在Timoshenko梁分析理论基础上，保持梁的主要特征即近似描述三维实体结构的一维构件的特点外，增强了其横截面定义功能，改进了梁构件另外两位的可视化特性。考虑了剪切变形影响，在单元插值函数中，挠度和截面转动进行各自独立插值，BEAM188为线性梁单元，具有更强的非线性分析功能。起重臂拉索和平衡臂拉索主要承受拉力，在有限元分析中可选择三维桁架单元link8（Structurallink3Dspar8）1有限元模型的建立（1）结构简化及假设根据GB/T13752-92《塔式起重机设计规范》的规定，塔机必须工作在材料弹性范围内，故本文在建模、加载及求解过程中只考虑弹性情况，而不考虑材料塑性的影响。为了塔机建模更为合理，有限元建模时根据实际情况进行必要简化：①由于回转结构等实体部件相对塔机[2]。收稿日期：2009－02－26基金项目：建设部项目（06-k8-8）；辽宁省省级重点实验室开放基金（JX200701）作者简介：李娟娟（1982-），女，辽宁人，在读硕士研究生。主要研究方向：机械设计及理论。进行模拟。三维杆单元link8是2节点3自由度的轴向拉伸—压缩杆件单元，主要用于模拟两端结点铰接的空间杆件，不考虑杆件的弯曲及扭转变形。112 ·制造业信息化·回转平台属于板壳结构，回转支撑属于三维实体结构，由于相对塔机整体结构而言几何尺寸较小，而刚度大且质量集中，对塔机结构进行整体分析时，将回转支承采用梁单元进行等效，避免了梁单元与板壳单元不同自由度产生的连接问题，对应内塔节的四个主肢节点定义为3D的MASS21质量单元。该单元是具有6个自由度的质量点单元，能体现三维的质量集中。平衡重、起升、变幅机构等作为塔机的集中质量，同理将对应位置的节点定义为3D－MASS21质量单元。（3）建立有限元模型。根据设计要求定义塔机各结构的截面参数，将每根杆件相交的点处理为节点，采用直接法和间接法相结合的建模方法建立有限元模型，如图1所示。间为1/6s。根据塔机的起升特性曲线和实际的工作情况，吊钩以及变幅小车的质量加在起吊物体的质量，各加载工况下瞬态冲击的作用力如表1所示。表1几种工况下瞬态冲击的作用力Tab.1Forceoftransientimpactundersomekindcondition基于上述工作，对塔机有限元模型进行瞬态动力学求解，对塔机起升载荷冲击求解。塔机起升载荷对结构的冲击应力及相应动载系数如表2所示。在工况1情况下瞬态冲击如图2所示，在70m臂端的满载起升冲击对塔机的影响还是很大的，最大变形为1.8m发生在起重臂的臂端，应力最大的点在前拉索与上弦杆的交点向臂端，最大应力为201.9MPa，而前拉索下的下弦杆都受压应力，为173.9MPa。塔机在臂端起吊重物时其结构属于悬臂梁，上弦杆的拉应力特别大，而下弦杆的压应力比其他各处的应力要大。不同的工况下，由于受力状态的改变，塔机各部分的应力值都发生了变化。工况2和工况3时受力较大是后拉索和下弦杆。表2起升载荷对结构的冲击应力及相应动载系数Tab.2Impactstressandcorrespondingdynamicloadcoefficientforliftingloadtothejibstructure边界条件处理2根据上述结构简化及假设，塔身与地基用地脚螺栓相连，认为在底部能承受弯矩，约束4个节点的6个自由度；塔身节之间的销轴连接可视为刚性连接；吊臂根部通过销轴与回转台相连，故在臂架起升平面可认为是铰支座；吊臂和平衡臂拉杆吊点两端分别固接在塔顶和对应吊点处；由于塔身的刚度很大，上部弯矩小，故可把塔顶与上回转支座的连接及下回转支座与塔身的连接同样视为刚性连接。内塔节和塔身节相连处（即变截面处）采用耦合处理，约束其对应节点的六个自由度；在吊臂根部与转台相连处也采用耦合处理，动自由度，以反映起重臂真实连接情况。仅释放Z向转塔机设计计算时需要考虑的载荷有自重载荷、起升载荷、风载荷以及回转惯性载荷等，本文主要对塔机在0°方向起升平面内动态冲击求解分析，自重载荷是塔机各组成部分的重力，集中质量利用MASS21单元进行模拟，而梁杆结构的质量通过设定材料密度确定；起升载荷通过变幅小车的行走轮作用在吊臂的下弦杆上，根据上述简化及假设，起升载荷可用集中力来模拟。变幅小车、吊钩滑轮组与吊重一起作为起升载荷施加。将风载荷转化为ANSYS中的方向加速度在模型中添加。由于塔机的起升载荷动载冲击通常是考虑静载乘以动载系数，根据起重机设计规范，动载系数取1.25。从表2中可以看出，结构有些位置的动载系数大于1.25，这比保守的静态试验来检验塔机要合理，更容易把握危险点、危险截面；同时，在施工过程中应尽量避免大载荷的动态冲击。塔机在工作时经常是满载运行，塔机起重臂较长，3瞬态动力学计算塔机工作幅度为3.9~70m，起升重量为5~20t。由于塔机起升瞬间产生的冲击载荷对结构的冲击影响很大，载荷起升冲击时间在0.1~0.2s内，本文设定起升时113工作情况70m，5t36m，12t22m，20t最大应力（MPa）最小应力（MPa）变形（m）最大应力（MPa）最小应力（MPa）变形（m）最大应力（MPa）最小应力（MPa）变形（m）静态154.02-130.881.416111.56-110.691.116112.90-101.981.138动态冲击201.90-173.921.887131.27-137.861.592129.32-141.421.542动载系数1.311.321.331.181.241.421.141.381.35工况距回转中心距离（m）起重量（t）作用于塔机的等效力（N）工况1705F0=（5+1.5）9810=63765工况23612F0=（12+1.5）9810=132435工况32220F0=（20+1.5）9810=210915 ·制造业信息化·变幅小车运行引起的冲击载荷对结构存在影响。满载时，塔机各危险部分结构应力较大，对起重臂结构破坏有着不可忽视的影响。设计人员必须要考虑塔机满载时变幅引起的冲击对塔式起重机起重臂的冲击以及各部分的应力，本文进行塔机满载变幅动态分析，选择塔机运行3s的冲击进行求解，分析塔机起重臂的动态冲击效果。计算结果如表3所示，75m5t臂端Y方向位移变化曲线如图3所示，36m12t臂端Y方向位移变化曲线如表3塔机满载变幅的应力、应变及变形Tab.3Fullloadamplitudestress,strainanddistortionoftowercrane起升瞬间的应力为最大值，达到了192.8MPa，变形为1.5m。到第2s时，应力变为171MPa，其变形达到了1.99m。随着变幅小车从臂端向回转中心运行，变形逐渐减小，应力也逐渐减小。在此期间，起重臂的变形随时间的变化而波动，满载变幅时起重臂所受到的的冲击载荷在第1秒时对结构冲击而产生的应力最大，但此时的变形不是最大。在第2秒时虽然应力值有所减小，但此时的变形最大。因此，在塔机施工中，满载运行时，应控制变幅小车的运行速度，避免因运行过程中突然起制动而导致的结构变形和破坏。结束语4本文利用ANSYS建立了塔机有限元模型，分析了塔机在工况水平变幅及载荷起升瞬间对起重臂结构的动态冲击，模拟塔机在变幅及起升过程中的情况，获得了载荷冲击对起重臂结构的影响及应力情况，塔机的起升载荷动载冲击结构有些位置的动载系数较大，在施工过程中应尽量避免大载荷的瞬间起升和制动动态冲击；同时，在塔机满载变幅运行时，应控制变幅小车的运行速度，避免因运行过程中突然起制动而导致的结构变形和破坏的发生。参考文献：[1]GB/T13752-92，塔式起重机设计规范[S].[2]郑夕健，谢正义.有限元单元在塔机分析中的应用[J].建筑机械化,2007,2.[3]徐树东.塔式起重机结构分析中有限元技术的应用[J].建筑机械化,2006,3.[4]刘佩衡．塔式起重机使用手册[M]．北京：机械工业出版社，2002.图4所示。从表3及图3、4可以看出，在工况1时，DynamicAnalysisofTowerCraneJibBasedonANSYSLIJuan-Juan，FEIYe，XIEZheng-Yi（SchoolofTraffic&MechanicalEngineering，ShenyangJianzhuUniversity，ShenyangLiaoning110168，China）Abstract:ThisarticlesetupthefiniteelementmodeloftowercranebasedonANSYS,throughthetransientdynamicssolution,thehori-zontalvariableamplitudeloadandtheinstantaneousliftingloadforthestructuredynamicimpactoftowercranejibarestudiedandanalyzed,thevariableamplitudeandliftingprocesssituationoftowercranearesimulated,thestresssituationofjibareobtained,thentheloaddynamicimpactinfluenceofjibstructureisanalyzed,theseresultscanhaveprovidedthereferenceforthetowercranedesignandoperation.Keywords:ANSYS；towercrane；dynamicanalysis[4]董洪智,林忠钦,陈关龙.车身覆盖件冲压仿真结果对比分析[J].汽车工程,2000,3.[5]孙惠学,等.奥迪轿车外门板拉深成形数值模拟研究[J].秦皇岛：板材冲压理论及先进技术研讨会论文集,2000,8.（上接第97页）[3]H.Yao,C.-C.Chen;S.-D.Liu;K.P.Li,C.Du;L.ZhangLami-natedSteelFormingModelingTechniquesandExperimentalVerifi-cations[J].SAEInternational,2003,1.AnalysisaboutthePunchingProcesstoSheathingsoftheAutomobileBodybyMeansofComputersHUAJian，ZHANGBin（CollegeofAutomobileEngineering，ShanghaiUniversityofEngineeringScience，Shanghai201620，China）Abstract:Inthepaper,thedesignoftheformingworkingprocessabouttheengineshoodouterpanel'sinSheathingsofthemicrobusBodyhasbeencompleted,theSimulatinganalysisonworkerpieceformchangeshasbeenpresentbyMeansofAutoFormsoftware，inordertore-ducethetimesoftestingforthedrawing-moulddesigning,shortenresearchanddevelopmentperiodandimprovetheproduct'squality.Keywords:automobilebody；sheathing；process；simulation114工况第1s第2s第3s最大应力（MPa）最小应力（MPa）变形（m）最大应力（MPa）最小应力（MPa）变形（m）最大应力（MPa）最小应力（MPa）变形（m）70m5t192.28-164.671.505171.03-161.421.996128.81-119.711.336m12t134.81-134.881.156128.41-169.931.762112.55-118.780.98722m20t132.54-116.831.102127.81-172.711.752113.46-115.160.908