塔式起重机的静力学分析.docx

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塔式起重机结构的静力学分析

摘要：

强度和振动特性是设计塔式起重机的金属结构的重要指标。

文章从有限元的基础理论出发,利用ANSYS软件,对塔式起重机进行静力学分析,获得了其应力应变结果,比较了三种典型的工况,指出了极限吊重情况下静态极限强度的位置,并分析了塔式起重机的振动频率和振型,为研究塔式起重机的其他动力响应提供了依据。

关键词：

塔式起重机静力学分析有限元ANSYS

引言：

塔式起重机（towercrane）简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。

动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。

作业空间大，主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水平输送及建筑构件的安装。

由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成。

当起重臂架绕塔式起重机的回转部分作360°回转、吊重载荷沿起重臂架运行并升降时以及由于驱动控制系统电机抖动等原因，都会使塔式起重机引起振动。

在此情况下，吊重荷载等动荷载对塔式起重机结构所引起的内力和变形，要比同样大小的静荷载所引起的大，有时甚至大得多。

由于塔式起重机结构及构件承受的动荷载一般都很大，而且加载次数较为频繁，更容易产生疲劳破坏。

作为大型设备,塔机的工作特点是根据建筑需要将物品在很大空间内升降和搬运,属于危险作业。

目前,在建筑施工中,由塔机引起的人员伤亡和设备事故屡禁不止,重大事故发生率居高不下。

塔机的强度和振动频率是影响塔机寿命和稳定性的重要因素，因此对塔式起重机进行静力学和振动的研究是十分要必要的。

本文利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对塔式起重机ＱＴＺ630进行建模，分析了三种加载在塔式起重机上的典型的工况，得出了塔式起重机在三种工况下的静力学应力和应变云图，找出塔式起重机各个工况下的危险位置，为其塔机的改进提供参考。

提取出塔机的前５阶振动模态，为其他动力学响应提供研究依据。

1.塔式起重机的结构及性能参数

1.1塔式起重机的结构

塔式起重机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分组成。

机械部分主要是指起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构、行走机构、架设机构等等，这些机构根据工作需要或有或无，但起升机构是必不可少的。

金属结构是构成起重机械的躯体，是安装各机构和支托它们全部重量的主体部分。

金属结构主要由门架、塔身、其中避、塔顶与塔顶撑架、平衡臂、转台等组成，其中门架是起重机的基础，所有物机和压重均装于其上。

门架由两个侧架和一个长方形平台组成。

塔身结构也成为塔架，是塔式起重机结构的主题，主要指自底架以上的垂直塔桅部分，它支撑着塔式起重机上部结构的全部重量，并将其转至底架和台车，进而分布给轨道基础。

电气是起重机械动作的能源，各机构都是单独驱动的。

在结构的力学分析中，主要分析塔身、塔臂和塔顶的杆件受力。

1.2性能参数

起重能力：

Rmax=50m，Q=1.2tR=2~15.44m，Q=5t

起升速度：

100/80/50/40/5m/min

回转速度：

0.6/0.4r/min

变幅速度：

45/16m/min

2.创建塔式起重机的有限元模型

塔机的金属结构主要包括塔顶、起重臂架、平衡臂、变幅小车、吊钩以及上下转台等组成．根据塔机设计规范的规定，建立塔机结构几何模型过程中，忽略结构阻尼，不考虑非线性关系和过渡圆角．为了有限元建模更加合理，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，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．

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．

3.塔式起重机的静力学分析

首先计算在载荷３５ｍ处的应力应变，重物等效为对称施加在３２６和３２７两节点上的垂直集中载荷。

对ＱＴＺ２５塔式起重机进行求解计算，计算出塔式起重机的各个节点和单元的位移与应力。

通过ＡＮＳＹＳ的后处理，能够直观地显示出塔式起重机的应力云图和应变云图。

由图中可以观察出，塔式起重机的最大应变处发生在臂尖处。

起重机的最大应力处为起重臂架和塔身的衔接处，最大的应力１７３．５６９ＭＰａ。

起重臂从拉杆与起重臂的相接触的地方至塔尖明显有比较大的变化。

机构有向重物倾覆的趋势，符合实际情况。

文章主要对比分析每种工况在不同位姿时所受的应力以及位移的大小，具体数值如表１所示

由表１可得，最大应力和最大应变值随着起重臂工作半径的减少而下降。

可以知道最危险工况就是在臂尖处施加载荷为１００００Ｎ处的工况，此处的应力和应变均为最大，应尽量避免起吊物长时间停留于这个位置。

通过比较可得三种情况下应力最大值为１７３．５６９ＭＰａ,塔式起重机的最大应力值小于Ｑ２３５Ｃ的最大应力值１７５ＭＰａ，满足起重机的规范设计要求，但是需要注意的是最危险工况很接近塔式起重机的许用最大应力值，在塔式起重机工作时要引起注意。

由一系列变形图可知塔式起重机发生的最大应变在最大在臂尖处，与实际情况是相互吻合的。

最大位移处始终在臂尖处，且钢丝绳与上弦杆连接处为最大的变化率处，因而此处不仅需要很高的强度，也需要更好的韧性。

表2频率及振型描述

4.塔式起重机的动力学分析

在进行塔式起重机的振动模态分析时，实际只需要考虑塔式起重机结构体系的自重只需定义在重力（作用方向的重力加速度和零位移约束，而不涉及其它的荷载作用）由振动理论可知，对于一个多自由度振动系统，系统低阶固有频率对系统的动态响应影响较大，而高阶固有频率则影响较小。

所以对多自由度系统只需其低阶固有频率就能反映系统的动态特性。

故本文只提取起重臂的前阶模态，实际分析设计中，可以根据需要获取模态阶次。

5模态分析只需要指定分析类型是模态分析，然后定义需要的模态阶数和矩阵特征值求解方法，就可以开始模态分析求解了。

5.结论

通过以上分析，可得到如下结论：

ＱＴＺ630塔式起重机在运行过程中：

（1）最危险的工况一般比较靠近臂尖；

（2）塔机工作时上弦杆会受到比较大的应力；

（3）最大位移处始终在臂尖处，且钢丝绳与上弦杆连接处为最大的变化率处，设计时应该加以注意；

（4）塔式起重机在挂上重物的瞬间，起重臂中部、斜拉索的连接点处，应力最大，设计制造的过程中应采取局部加强措施。

（5）总体来看，基于桁架模型的塔机起重臂结构为一低频振动系统，快速起升和突然卸载时的冲击容易引起结构共振。

（6）根据各阶振型图可知，塔式起重机的各阶共振频率均较低且相差不大，在使用过程中要注意避免吊绳的摆动和载荷的施加与释放等低频源激扰.

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