ansys分析平頭式塔機(jī)起重臂

1、平頭式塔式起重機(jī)起重臂的有限元分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模壕C合訓(xùn)練和培養(yǎng)學(xué)生利用有限元技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的能力，獨(dú)立解決本專業(yè)方向?qū)嶋H問(wèn)題的能力； 訓(xùn)練學(xué)生對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)問(wèn)題分析規(guī)劃的能力， 能正確利用有限元分析軟件 ANSYS建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，合理定義單元、分析系統(tǒng)約束環(huán)境，正確加載求解，能夠提取系統(tǒng)分析結(jié)果。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析使學(xué)生了解和掌握有限元技術(shù)輔助機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的特點(diǎn)， 推動(dòng)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)， 進(jìn)一步提高動(dòng)手操作能力，為將來(lái)所從事的機(jī)械設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)：本專題實(shí)驗(yàn)借用上一學(xué)期現(xiàn)代機(jī)械工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)1-金屬結(jié)構(gòu)部分的參數(shù)和設(shè)計(jì)成果，采用有限元方法進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，用ANSYS

2、 軟件對(duì)塔機(jī)的起重臂、 平衡臂和塔身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型構(gòu)建和強(qiáng)度、剛度分析，并與手工計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比討論。掌握有限元法進(jìn)行工程實(shí)例計(jì)算的基本方法和步驟。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟：（一）問(wèn)題分析：塔機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)易造成鋼結(jié)構(gòu)的破壞， 起重臂作為塔機(jī)的主要受力部件， 其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度關(guān)系著工作的可靠性和安全性。利用有限元分析軟件 ANSYS分析起重機(jī)臂架在典型工況下的應(yīng)力分布規(guī)律及模態(tài)特性，可在虛擬階段對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核，降低了生產(chǎn)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，本次實(shí)驗(yàn)周對(duì)平頭塔機(jī)起重臂進(jìn)行分析。塔機(jī)起重臂主要載荷包括：起重臂自重、風(fēng)載荷、吊重、吊重風(fēng)載、慣性力或其他水平力。臂架自重：

3、參考同類型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)按比例初步估計(jì)為 4T 小車及吊鉤：重量初步估計(jì)為 0.625T 風(fēng)載荷：按照塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范為風(fēng)力系數(shù)，臂架為三角形結(jié)構(gòu)，查表得為計(jì)算風(fēng)壓，工作狀態(tài)取Pw=250MP為迎風(fēng)面積前片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積- 后片結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積為結(jié)構(gòu)充實(shí)率對(duì)于桁架取0.4為結(jié)構(gòu)充實(shí)率對(duì)于桁架取0.4根據(jù)前后片外形輪廓尺寸計(jì)算出前后片迎風(fēng)面積前片對(duì)后片的擋風(fēng)折減系數(shù)，根據(jù)前片充實(shí)率及桁架隔比查表定位 0.28計(jì)算可得：其他水平力：回轉(zhuǎn)慣性力（Q為吊重）起重臂根據(jù)上學(xué)期金屬結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)得，截面呈三角形結(jié)構(gòu)上主肢采用（外徑121mm壁厚32m），下主肢采用兩根18b扣方。斜腹桿采用（外徑30mm壁厚6m），水

4、平腹桿采用（外徑 30mm 壁厚 6m）。單元統(tǒng)一采用beam188材料分析：起重臂主肢材料選用Q345鋼，彈性模量a，泊松比 0.3 ，鋼材密度 7.85g/cm3 ；腹桿材料選用 Q235鋼，彈性模量，泊松比 0.3 ，鋼材密度 7.85g/cm3 。結(jié)構(gòu)分析：手工計(jì)算時(shí)在起升平面和回轉(zhuǎn)平面都作為懸臂梁計(jì)算。有限元分析時(shí)由于起重臂受水平方向載荷以及豎直方向上載荷而且結(jié)構(gòu)為空間立體結(jié)構(gòu)故簡(jiǎn)化模型應(yīng)為三維模型梁結(jié)構(gòu)。約束條件：起重臂與塔身連接， 兩根下肢與塔身鉸接需要限制五個(gè)自由度（僅繞Z 軸旋轉(zhuǎn)自由度未被限制） ，上主肢鉸接，但考慮到它們實(shí)際連接性狀上主肢與塔身連接可等效為限制X 軸方向上的

5、自由度。載荷條件：設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)在最惡劣載荷條件下計(jì)算，在豎直平面內(nèi)受自重及吊重。 臂架自重通過(guò)密度及重力加速度實(shí)現(xiàn)，吊重在起重臂一端添加。水平平面內(nèi)受風(fēng)載荷以及回轉(zhuǎn)慣性力，風(fēng)載荷通過(guò)均布載荷實(shí)現(xiàn)，擋風(fēng)面所受載荷為迎風(fēng)面0.28 ，回轉(zhuǎn)慣性力通過(guò)水平橫向均布載荷代替。吊重風(fēng)載較小忽略該力。（二）實(shí)驗(yàn)過(guò)程：1. 單元選擇：根據(jù)起重臂結(jié)構(gòu)特征把起重臂桿件處理成梁?jiǎn)卧?。選擇 beam188單元進(jìn)行模擬就可以滿足分析要求。Beam188是一種線性梁?jiǎn)卧?Beam188單元還改進(jìn)了梁構(gòu)件另兩維的可視化特性，可以讓用戶清晰的看到各個(gè)部位的應(yīng)力和變形。Beam188單元對(duì)細(xì)長(zhǎng)到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)的分析都很適合。

6、Beam188單元默認(rèn)為6 個(gè)自由度，當(dāng) beam188單元的 Keyopt（1）設(shè)置為 1 時(shí)增加扭曲幅度自由度，beam188單元的程序默認(rèn)設(shè)置值為 0，也就是認(rèn)為橫截面的扭曲幅度足夠小到可以忽略。 Beam188單元可以通過(guò)參數(shù) secdata 、secoffset 、 sectype 、secwrite 及 secread 定義截面，截面與單元用截面 ID 號(hào)（SECNUM）來(lái)關(guān)聯(lián)，截面號(hào)是獨(dú)立的單元屬性。2. 設(shè)置基本屬性：定義單元為 beam188，并且分別定義上下主肢，斜腹桿，水平腹桿的截面，然后定義兩種材料的彈性模量，泊松比，密度。3. 建模過(guò)程：(1)MainMenu: Pr

7、eprocessor Modeling CreateKeypointsIn Active CS依次輸入坐標(biāo)值。（2）Main Menu: PreprocessorModeling Create Lineslines Straight lines 依次連接上一步生成的特征點(diǎn)，形成上下主肢，斜腹桿，水平腹桿。如下圖4. 劃分單元：（ 1）經(jīng)分析選擇單元格長(zhǎng)度為 1m比較合適。選擇單元格長(zhǎng)度為 1m。（ 2）對(duì)各個(gè)桿件進(jìn)行網(wǎng)格劃分并賦予其截面屬性。5. 施加載荷：（1）施加邊界約束，起重臂與塔身連接，兩根下肢與塔身鉸接需要限制五個(gè)自由度（僅繞Z 軸旋轉(zhuǎn)自由度未被限制） ，上主肢也與主肢鉸接，但考慮到

8、它們實(shí)際連接性狀上主肢與塔身連接可等效為僅限制 X 軸方向上的自由度。（2）在豎直平面內(nèi)受自重及吊重。臂架自重通過(guò)密度及重力加速度實(shí)現(xiàn)，吊重通過(guò)在臂架一端施加力。水平平面內(nèi)受風(fēng)載荷以及回轉(zhuǎn)慣性力，風(fēng)載荷通過(guò)均布載荷實(shí)現(xiàn)， 擋風(fēng)面所受載荷為迎風(fēng)面0.28 ，回轉(zhuǎn)慣性力通過(guò)與風(fēng)載荷同向的水平橫向均布載荷代替。6. 后處理：Main Menu: solutionsolve current LSOK7. 定義力：General postproc element table define table adduserable for iterm MYby sequence num smisc smisc2

9、 apply user able for iterm MZby sequence num smisc smisc3 apply 依次定義 SFZ，SFY , SBYT , SBZTuser able for itermby sequence num smisc apply 依次定義smisc5 , smisc6，smisc32，smisc34 okclose。處理圖如下：靜載(未加回轉(zhuǎn)慣性力)：彎矩MY水平面內(nèi)彎矩較小主要集中在與塔身連接處動(dòng)載：彎矩MY加上回轉(zhuǎn)慣性力彎矩有所增大。靜載：彎矩 MZ起升平面內(nèi)彎矩依然是與塔身連接處最大動(dòng)載：彎矩 MZ靜載剪力 SFZ動(dòng)載剪力 SFZ靜載剪力 SF

10、Y動(dòng)載剪力 SFY靜載應(yīng)力 SBYTY方向上應(yīng)力最大21.5MPa動(dòng)載應(yīng)力 SBYT靜載應(yīng)力 SBZTZ 方向上應(yīng)力最大20.7MPa動(dòng)載應(yīng)力 SBZTZ 方向上應(yīng)力最大24.4MPa靜載時(shí)變形圖最大變形 0.6m，符合設(shè)計(jì)要求動(dòng)載時(shí)變形圖最大變形 0.66m，符合設(shè)計(jì)要求。根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算的平頭式塔機(jī) 40m起重臂撓度0.06656，雖然沒(méi)有超過(guò)，但彎曲仍然很大，其原因可能是原設(shè)計(jì)中簡(jiǎn)化為懸臂梁計(jì)算的原因。8. 結(jié)果校核動(dòng)載最大應(yīng)力 Y，Z 軸合成為（），所取鋼材 Q345完全滿足要求。四結(jié)果討論通過(guò)對(duì)比結(jié)果可以看出ansys 軟件與手工計(jì)算得到的數(shù)值相差很大，但最危險(xiǎn)出現(xiàn)處（剪力，應(yīng)力最大處）與手工計(jì)算的地點(diǎn)相同。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是多方面的。1. 手工計(jì)算時(shí)簡(jiǎn)化臂架結(jié)構(gòu)為懸臂梁而 ansys 分析時(shí)卻簡(jiǎn)化為剛性桁架結(jié)構(gòu)這就不可避免的產(chǎn)生了較大的誤差。2.ansys 分析時(shí)所加約束與實(shí)際約束也有較大差距，同時(shí)風(fēng)載荷，回轉(zhuǎn)慣性力，平衡重自重的替代與實(shí)際條件相比做了大量簡(jiǎn)化也存在較大誤差。3. 對(duì)于應(yīng)力，在手工計(jì)算時(shí)主要考慮臂架的穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)主要進(jìn)行計(jì)算所取應(yīng)力為不失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)力， 而有限元分析時(shí)主要分析臂架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度并未考慮整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性兩者計(jì)算結(jié)果最在交大系統(tǒng)誤差。五. 總結(jié)感想通過(guò)這次實(shí)驗(yàn)