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李伟毕业设计论文
塔式起重机的结构的有限元分析
摘要：
塔式起重机是现代工程建设中一种主要的起重机械，广泛应用于工业、以及桥梁等工程的施工作业。
其桁架结构由于杆件较多，采用传统计算方法繁琐，而且精度难以保证。
根据塔式起重机的实际结构,利用ANSYS对其整体结构进行建模和分析。
在建模过程,对塔式起重机结构的简化、单元的选择、载荷的施加等进行探讨和分析,并在此基础上进行静态有限元分析,其结果对塔式起重机的后续分析有重要意义。
关键词：
塔式起重机;静态分析;有限元分析
Staticfiniteelementanalysisofwholestructureoftowercrane
ABSTRACT:
Towercranesarethemodernconstructioncraneinamajor,widelyusedinindustry,andbridgeconstructionworkandotherprojects.Trussrodbecauseofitsmorecomplicatedbythetraditionalmethod,butaccuracyisnotguaranteed.Accordingtotheactualstructureoftowercranes,usingANSYSmodelinganditsanalysisoftheoverallstructure.Inthemodelingprocess,simplifythestructureoftowercranes,unitselection,loadapplied,etc.discussedandanalyzed,andonthisbasis,thestaticfiniteelementanalysis,theresultsofthefollow-upanalysisofthetowercraneisimportant.
KEYWORDS:
towercrane;staticanalysis;finiteelement；
1前言
1.1本次毕业设计课题的来源、意义
随着国民经济和现代化建设的不断发展，高层建筑越来越多，建筑高度也越来越大，使得塔式起重机成为不可缺少的重要施工机械。
塔式起重机作为各种工程广泛应用的重要起重设备，其计算方法和分析手段同样是不容忽视的。
但传统计算方法由于受限于理论和手段的匮乏，相对简化过大，计算结果精度较差等一系列弊病的存在，为了改进这些问题，目前基本采用基于有限元软件作为平台，用有限元法做为计算手段。
这些应用软件包括：
ANYSYS、ALGOR、MSC／NASTRAN等，对塔式起重机的设计起到积极的作用。
现代工业建设的迅速发展和市场竞争的加剧，要求塔机的起重力矩不断增大、工作速度不断提高，起升高度不断加大，同时又要求机械结构尽量轻，尽量降低加工制造成本，所以对塔机进行局部分析和静强度分析己经不能满足塔式起重机设计和使用的要求。
近几年，国内外学者应用有限元软件对塔式起重机的重要组成部分进行了各种分析，如起重臂危险点的确定及稳定性的分析，平衡臂的静态分析及模态分析，回转台的计算和分析，塔机臂架销轴连接进行有限元分析，十字底架的受力分析等等，这些分析使得塔式起重机使用起来更加高效，更加安全。
塔式起重机是一种短周期循环工作的机械，它的性能如何取决于整机的性能，所以仅仅对局部构件进行分析是不够的，但因为塔式起重机结构复杂，工况多样，所以现阶段对塔机进行整机结构分析大多停留在静态分析阶段。
随着现代科学技术和现代机械设计方法的迅速发展，机械产品的设计和生产己经进入一个崭新的阶段，主要表现为从局部环节设计到系统综合设计，从常规设计到可靠性设计，从简单类比设计到计算机优化设计，从静态设计到动态设计。
而静态设计为结构设计提供科学的依据。
本论文针对塔式起重机桁架结构进行静力学分析，计算各工况下的机构的强度、刚度和稳定性。
找出一种实用的计算方法，为结构设计提供依据。
1.2本课题的国内外动态
从20世纪70年代末，80年代初开始,国内开始采用有限元方法对起重机械进行研究，国外对这方面的研究更早。
其中对塔机各部分进行了大量的研究,例如,对塔机起重臂进行了有限元模态分析及动态分析,对塔机臂架销轴连接进行有限元分析,对塔机进行动态响应和测试,利用ALGORFEAS软件对塔机结构进行动态分析,对塔机十字型底架的受力计算,对塔机回转平台的有限元分析等。
目前对塔机各部件都有研究,但对塔机整体结构的研究还停留在静态分阶段。
所以塔机整机在复杂工况下仍然常常发生事故，对塔机进行整机动态分析是研究领域一种趋势。
1.3本设计的主要内容内容
QTZ40型塔式起重机全部采用空间桁架结构，由于杆件多，机构相对复杂采用传统计算方法繁琐，而且精度难以保证，为了尽量克服这些缺点，保证结构安全，所以选用有限元分析软件ANSYS对其进行以下分析。
（1）对塔式起重机金属结构进行几何建模，建立有限元模型
（2）进行有限元强度和刚度的静力分析，生成应力、应变云图。
2塔式起重机的简介
2.1塔式起重机的产生历史及特点
塔式起重机简称塔机，亦称塔吊，起源于西欧。
据记载，第一项有关建筑用塔机专利颁发于1900年。
1905年出现了塔身固定的装有臂架的起重机，1923年制成了近代塔机的原型样机，同年出现第一台比较完整的近代塔机。
1930年当时德国已开始批量生产塔机，并用于建筑施工。
1941年，有关塔机的德国工业标准DIN8770公布。
该标准规定以吊载（t）和幅度（m）的乘积（tm）一起以重力矩表示塔机的起重能力。
我国的塔机行业于20世纪50年代开始起步,相对于中西欧国家由于建筑业疲软造成的塔机业的不景气,上海波赫驱动系统有限公司我国的塔机业正处于一个迅速的发展时期。
从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，新产品在生产效能、操作简便、保养容易和运行可靠方面均有提高，但是塔机的技术并无根本性的改变。
塔机的研究正向着组合式发展。
所谓的组合式，就是以塔身结构为核心，按结构和功能特点，将塔身分解成若干部分，并依据系列化和通用化要求，遵循模数制原理再将各部分划分成若干模块。
根据参数要求，选用适当模块分别组成具有不同技术性能特征的塔机，以满足施工的具体需求。
推行组合式的塔机有助于加快塔机产品开发进度，节省产品开发费用，并能更好的为客户服务。
塔机分为上回转塔机和下回转塔机两大类。
其中前者的承载力要高于后者，在许多的施工现场我们所见到的就是上回转式上顶升加节接高的塔机。
按能否移动又分为：
走行式和固定式。
固定式塔机塔身固定不转，安装在整块混凝土基础上，或装设在条形式X形混凝土基础上。
在房屋的施工中一般采用的是固定式的。
如图2.1示：
图2.1固定式塔式起重机
2.2塔式起重机的分类及构成
按有无行走机构可分为移动式塔式起重机和固定式塔式起重机。
移动式塔式起重机塔身固定于行走底架上，可在专设的轨道上运行，稳定性好，能带负荷行走，工作效率高，因而广泛应用于建筑安装工程。
固定式塔式起重机根据装设位置的不同，又分为附着自升式和内爬式两种。
内爬式起重机在建筑物内部（电梯井、楼梯间），借助一套托架和提升系统进行爬升，顶升较繁琐，但占用结构用钢少，不需要装设基础，全部自重及载荷均由建筑物承受。
附着自升塔式起重机能随建筑物升高而升高，适用于高层建筑，建筑结构仅承受由起重机传来的水平载荷，附着方便，但占用结构用钢多。
按起重臂的构造特点可分为俯仰变幅起重臂和小车变幅起重臂塔式起重机。
俯仰变幅起重臂塔式起重机是靠起重臂升降来实现变幅的，其优点是：
能充分发挥起重臂的有效高度，机构简单，缺点是最小幅度被限制在最大幅度的30%左右，不能完全靠近塔身，变幅时负荷随起重臂一起升降，不能带负荷变幅。
小车变幅起重臂塔式起重机是靠水平起重臂轨道上安装的小车行走实现变幅的，其优点是：
变幅范围大，载重小车可驶近塔身，能带负荷变幅，缺点是：
起重臂受力情况复杂，对结构要求高。
按塔身结构回转方式可分为下回转和上回转塔式起重机。
下回转塔式起重机将回转支承、平衡重主要机构等均设置在下端，其优点是：
塔身所受弯矩较少，重心低，稳定性好，安装维修方便，缺点是对回转支承要求较高，安装高度受到限制。
上回转塔式起重机将回转支承，平衡重，主要机构均设置在上端，其优点是由于塔身不回转，可简化塔身下部结构、顶升加节方便。
缺点是：
当建筑物超过塔身高度时，由于平衡臂的影响，限制起重机的回转，同时重心较高，风压增大，压重增加，使整机总重量增加。
以上塔式起重机各有优缺点，但目前使用范围最广泛，构造较为典型的仍然是平臂上回转自升式塔式起重机。
本论文所要研究的正是此类起重机的一种，既QTZ40型平臂上回转自升式塔式起重机。
塔式起重机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分所组成。
机械部分是指起升、运行、变幅和回转等机构；电气是起重机械动作的能源，各机构都是单独驱动的。
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。
2.3塔式起重机的发展状况
自上世纪80年代以来，我国塔机行业得到快速发展，尤其近几年，塔机销量持续攀高，2001年行业统计销量9738台，2002年成为世界上首个塔机年产量突破10000台的国家。
2004年，由于宏观调控作用以及起重机行业的结构调整，塔机的产销量有所回落，2005、2006年，在经济高速增长的强力拉动下，我国塔机的产销恢复高速增长，2006年销量已超过2万台。
由于行业管理及统计的局限性，塔机产销量历来是一个大家都想知道而谁也说不清的数字，因为行业统计只统计了二三十家生产企业的销量，全行业销量肯定远远超过统计数字，本文根据调查的部分业内专家给出了估计数字，见表1.1。
勿庸置疑，我国已成为世界民用塔机的生产大国，也是世界塔机主要需求市场之一。
据初步统计，目前我国取得生产许可证的塔机生产厂达40余家。
表1.1国内塔机产量统计
50年代60年代70年代80年代90年代2001-2006年
产量（台）74847388288896369491500
2.4塔式起重机的发展趋势
（1）向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展。
（2）向自动化、智能化、集成化和信息化发展。
将机械技术和电子技术
相结合，将先进的电力电子技术、液压技术应用到机械的驱动和控制系统，实
现自动化和智能化，以适应多批次少批量的柔性生产模式。
（3）向成套化、系统化、综合化和规模化发展。
（4）向模块化、组合化、系列化和通用化发展。
（5）向轻型化、简易化和多样化发展。
（6）采用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能。
结构方面采用薄壁型材和异型钢，减少结构的拼接焊缝，采用各种高强度低合金钢新材料，提高承载能力，改善受力条件，减轻自重和增加外形美观。
（7）采用新理论、新方法、新技术和新手段提高设计质量。
进一步应用计算机技术，不断提高产品的设计水平与精度。
开展对起重运输机械载荷变化规律、动态特性和疲劳特性的研究，开展对可靠性的试验研究，全面采用极限状态设计法、概率设计法、优化设计和可靠性设计等，利用CAD提高设计效率与质量，与计算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体化。
3有限元法及有限元软件ANSYS
3.1有限元的基本理论
3.1.1有限元法的发展历史
对于许多工程问题，不可能获得解析的数学解。
以前，为了获得解析解，人们不得不作多到难以承受的假设和简化，以至于所得结果只能适用于最简单的情况。
现在，对于材料性质和边界条件较复杂的问题,工程师就可以依靠数值方法给出近似的、较令人满意的答案。
有限元法就是这样一种数值方法。
从数学角度来看，有限元法基本思想的提出，可以1943年Courant的开创性工作为标志。
他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数和最小位能原理相结合，来求解St.Venant扭转问题。
但由于当时计算条件的限制，这种方法并没有收到足够的重视。
从应用角度看，有限元法的第一个成功应用者是Turener和Clough等人。
他们在分析飞机结构时用有限元法第一次得出了平面应力问题的正确答案。
Clough又进一步应用有限元法处理了平面弹性问题。
半个世纪以来随着电子计算机的广泛应用，有限元法不仅成为进行工程结构分析的重要数值方法，而且被广泛应用于固体力学的各个分支，甚至流体力学、热传导、电磁场、地质力学、生物力学等领域中，从结构计算扩展到结构优化设计，并向更高设计自动化方向发展。
有限元法的发展借助于两个重要工具：
其理论指导采用矩阵方法，在实际计算中则采用电子计算机。
因此，在有限元法中，有限元、矩阵、计算机是三位一体的。
理论上确认有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。
建立了其基本的理论基础：
基于变分原理的里兹（Ritz）法。
而基于变分原理建立有限元方程和经典里兹法的主要区别是前者假设的近似函数不是在全求解域而是在单元上规定的，而且事先不要求满足任何边界条件，因此它可以用来处理很复杂的连续介质问题。
60年代以后，人们在有限元法中主要应用伽辽金（Galerkin）法，利用加权余量的方式来确定单元特性和建立有限元求解方程。
这使得在不存在变分泛函的情况下也可以应用有限元法了，从而大大扩充了其使用范围。
3.1.2有限元法的计算思路
有限元法是将连续体结构分成有限个单元，每个单元以节点相连，两相邻单元共用节点的位移、斜率、曲率必须一致，而两节点之间的位移则同节点的位移和变形函数相关。
将载荷作用于节点，不论结构多么复杂，利用有限元法将其离散化，建立的方程式均为统一的矩阵形式，以静态强度分析为例，系统方程式如式（2.1）所示。
其中[K]为刚度矩阵，表示节点载荷{F}与节点自由度位移{q}的相关性。
[K]{q}={F}（2.1）
有限元法将结构分割成单元结合在一起的网架结构，相邻元素共用相同的节点,元素内部的变形位移量近似的以节点位移量的内插函数表达。
作用在结构上的外力力矩作用在节点上，因此由节点的作用效应及节点反应关系式构成了结构的离散化方程式，在已知作用外力及力矩时，求解此方程式，得到结构在各节点的位移。
其分析计算的思路和做法可归纳如下：
（1）物体离散化:
将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称为单元剖分。
离散后单元与单元之间利用单元的节点互相连接起来;单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算精度而定。
一般情况，单元越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量越大。
所以有限元中分析的结构已不是原来的物体或结构体而是同样材料的由众多单元以一定方式连接成的离散物体。
这样用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。
如果划分单元数目足够多而又合理，则所获得的结果就与实际情况足够接近。
（2）单元特征分析：
在有限单元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。
位移法易于实现计算机自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。
当采用位移法时，物体或结构离散化之后，就可把单元中的一些物理量如位移，应变和应力等由节点位移来表示。
这时可以对单元中位移的分布采取一些能逼近原函数的近似函数予以描述。
通常,有限元法中我们就将位移表示为坐标变量的简单函数。
这种函数称为位移模式或位移函数。
根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式。
这是单元分析中的关键一步，此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵。
这是有限元法的基本步骤之一。
一般来说，建立刚度阵的方法有：
直接方法、虚功原理法、能量变分原理方法等。
物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另外一个单元。
但是对于实际的连续体,力是从单元的公共边界传递到另外一个单元中去的。
因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力或集中力都需要等效地移到节点上去,也就是用等效的节点力来替代所有作用在单元上的力。
（3）单元组集：
利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结
构重新连接起来，形成整体有限元方程。
（4）求解未知节点位移：
求解有限元方程可求出位移。
这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。
3.1.3有限元法的优越性与局限性
有限元法能够得到迅速的发展与越来越广泛的应用，除高速电子计算机的出现与发展提供了充分有利的条件外，还与有限元法所具有的优越性是分不开的。
有限元法的优越性主要有：
（1）在固体力学及其他连续体力学中,只有一些特殊类型的位移场和应力场才能求得微分方程式的解。
对于多数复杂的实际结构得不到解。
而有限元法对于完成这些复杂结构的分析是一种十分有效的数值方法。
有限元法是利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元节点参数的计算，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状和大小，可使近似解达到满意的精度。
（2）有限元法另一个优点在于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要进入单元有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程后再引进。
所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数。
而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这对编制通用化的程序带来了极大的简化。
（3）有限元法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质问题，例如材料的各向异性，非线性，随时间或温度而变化的材料性质问题。
另外它还可以解决非均质连续介质的问题。
其应用范围极为广泛。
有限元法通常采用矩阵表达形式，非常便于编制计算机程序，从而适应于电子计算机的工作。
有限元法的局限性主要有：
（1）有限元法的应用与电子计算机紧密相关，它与计算机质量与速度取决于计算机的储存容量和速度，先进的计算机将有利于有限元的发展。
（2）有限元法作为一种计算方法已经达到了成熟的程度，但在具体应用中还有不小的差距,特别对于一些复杂的问题，如固体力学领域中断裂形态，接触问题与其他领域中的瞬态问题的数值解，目前虽有进展但还不能十分令人满意，需进一步研究。
（3）目前在许多有限元通用程序中，增加了前、后处理功能，网络能自动生成或分割，有利于更广泛的应用和推广。
尽管结构的网络分割与准备输入数据的工作在某种程度上可以自动化，但还不能全靠计算机实现，因为在离散化过程中，还必须根据不同的要求来决策。
在输入数据中，如有差错，且未被发现，将会导致错误计算结果，而且往往较难发现，带来不少麻烦。
3.2国内外有限元软件发展概况
3.2.1国外有限元软件发展概况
有限元是在电子计算机的基础上发展起来的，仅仅了解有限元法的原理和解题步骤，如果没有电子计算机的计算程序，那是解决不了实际问题的，而自己着手去编制有限元程序也是不现实的，而且也是没有必要的。
因为现在的商业化有限元软件已经很多，很成熟，而且所能解决的范围非常广泛,从结构，动力，热平衡到电磁场，核子等诸种情况均有非常成熟的软件。
比较常用的有：
SAP,ADINA,ASKA,NASTRAN,ANSYS等。
SAP（structuralAnalisis,Pragram）——结构分析程序。
它由美国贝克莱加利福尼亚大学研制，该程序可处理空间桁架、刚架、平面应变、平面应力、轴对称、等参元、薄板、薄壳、三维固体、厚壳、管单元等问题。
它的功能有信息处理，静力分析，动力分析，绘图，带宽优化，计算几何刚度等。
ADINA（AFiniteElementProgramForAutomaticDynamicIncrementalNonlinearAnalysis）——自动动力增量非线性分析有限元程序。
它是由美国麻省理工学院机械工程系研制。
单元库中有梁、平面、板壳、三维板体、轴对称、厚板等单元。
它可处理非线性问题，与温度有关的问题。
ASKA（AutomaticSystemKinematicAnalysis）——自动动力分析系统。
它是由德国斯图加特大学宇航结构静动力学研究所研制。
NATTRAN（NASAStructuralAnalysis）——NASA结构分析程序。
它由美国国家航空和宇航局研制。
它可供各种结构分析之用。
其功能包括热力分析，瞬态载荷与随机激振的动态响应分析，实特征值与复特征值计算，以及稳定性分析，还有一定的非线性分析能力，可用于计算机系统。
在众多可用的通用和专业有限元软件中，ANSYS是最为通用有效的商业有限元软件之一。
在多次用户调查中，ANSYS都名列前茅。
ANSYS软件从70年代至今，经过30多年的发展，已经成为能够紧跟计算机硬、软件发展的最新水平，功能丰富，用户界面友好，前后处理和图形功能完备的，使用高效的有限元软件系统。
它拥有丰富和完善的单元库，材料模库和求解器，保证了它能够高效的求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线性问题，稳定和瞬态热分析及热－结构耦合问题，静态和时变电磁场问题，压缩和不可压缩的流体力学问题，以及多场耦和问题；它的友好的图形用户界面和程序结构使用易学易会；它的完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型，生成有限元模型以及分析和评价计算机结果的工作量；它的统一和集中式的数据库，保证了系统各个模块之间的可靠和灵活的集成，它的DDA模块实现了它与多个CAD软件产品的有效连接；ANSYS系统的各种产品和适应于各种计算机平台的版本，为用户提供了各种可能的选择。
ANSYS公司的不懈努力，已经使ANSYS成为计算机辅助工具和工程数据模拟的最有效的软件，成为当代CAD/CEA/CAM主流产品之一。
3.2.2我国有限元软件的发展情况
我国在60年代初期已将矩阵分析用于解决飞机结构的强度问题，但由于电子计算机发展较迟，故受到一定的影响。
70年代有限元法才开始在国内得到应用与推广，随后在航空工业、造船工业、机械工业、水利工业、建筑工业、石油化工等部门得到广泛应用与发展，总的来说对静态分析方面做的工作较多,尤其是70年代，根据我国当时计算机容量小的情况，在力求用小的国产机器解决大题目方面做了不少工作，取得了一些成果。
进几年来在动态和非线性方面，流体力学与电磁场方面也开展了不少的工作，取得了很好的成绩。
3.3大型有限元软件ANSYS概述
3.3.1ANSYS软件的介绍
有限元法是一种采用电子计算机求解复杂工程结构的非常有效的数值方法，是将所研究的工程系统转化成一个结构近似的有限元系统，该系统由节点及单元组合而成，以取代原有的工程系统。
有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据数学模式，进而得到该有限元系统的解答，并通过节点、单元表现出来。
完整有限元模型除了节点、单元外，还包含工程系统本身所具有的边界条件、约束条件、外力负载等。
由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式规范统一等优点,故在短短多年间已广泛应用于机械、宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，成为现代机械产品设计中一种重要工具。
特别是随着电子计算机技术的发展核软、硬件环境的不断完善以及高档微机核计算机工作站逐步普及,从而为ANSYS的推广应用创造了良好的条件，并将展示出更为广阔的工程应用前景。
ANSYS是目前世界顶端的有限元商业应用程序，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
由世界上最大的有限元分析软件公司之之一的的美国ANSYS开发,它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换,如Pro/Engineer,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。
美国JohnSwanson博士于1970年创建ANSYS公司后,便开发出了该应用程序，以此用计算
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