基于ANSYS的塔式起重機起重臂動力學(xué)分析

1、基于 ANSYS 的塔式起重機起重臂動力學(xué)分析李娟娟 ， 費 燁， 謝正義（沈 陽建筑大學(xué) 交通與機械工程學(xué)院 ， 遼 寧 沈 陽 110168）摘 要 ： 基 于 ANSYS 對某塔式起重 機 起重臂進行有 限 元 建 模 ， 通過瞬態(tài)動力學(xué)的求解 ， 對塔機在工況水 平變幅及 載荷起升瞬間對起重 臂 結(jié)構(gòu)的動態(tài)沖 擊 作 了 探討 和 分 析 ， 模擬塔機在變 幅及起升過程中 的 情 況 ， 獲 得了載荷沖擊對起重 臂 結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況 ， 進而分析 塔機起重臂結(jié)構(gòu)在動態(tài) 沖 擊中 的 影 響 ， 為塔機設(shè)計 及操作施工等提供了 參 考 。關(guān) 鍵 詞 ： ANSYS； 塔 式 起 重 機 ；

2、動 力 學(xué) 分 析中 圖 分 類 號 ： TP317文 獻 標(biāo) 識 碼 ： Adoi:10.3969/ j.issn.1002-6673.2009.03.048整 體而言幾何尺寸較小 、 剛 度 大 、 質(zhì) 量 集 中 ， 對 塔 機 結(jié)構(gòu) 整 體 分 析 時 ， 將 回 轉(zhuǎn) 結(jié) 構(gòu) 等 實 體 部件采用等效 處 理 ， 減 少塔機整體分析中的 單 元種類 ， 方 便 進 行 后 處 理 。 在 完成整體分析后 ， 將分 析中得到的等效單元 的 結(jié)點 力 作 為 外 載 荷 ， 再 單 獨 分 析 回 轉(zhuǎn) 結(jié) 構(gòu) ； 塔 機 附 件 由 于 相 對 塔機整體結(jié) 構(gòu)而言幾何尺寸小 、 質(zhì) 量 集

3、 中 ， 對 整 體 結(jié) 構(gòu) 進 行 分 析 時 ， 將附件等實體部件 采 用等效 處 理 ； 對 于 變 幅 鋼 絲 繩 ， 分 布 比 較 均 勻 ， 可 通 過 改 變 相應(yīng)桿件的密度 來 添 加 其 質(zhì) 量 。 變 幅 小 車 、 吊 鉤 因 與 吊 重 同 步 ， 可 將 其 質(zhì) 量及吊重一起作為起 升 載荷處理 ， 根 據(jù) 圣 維 南 原 理 ， 這種處理僅影響附件 、 吊 鉤及變幅小車作用 點 附近 的 局 部應(yīng)力大小及 分 布 ， 而對塔機整體應(yīng)力 變 化及 分 布 無 大 的 影 響 。（2） 單 元 的 選 擇 。 由 于 塔 機 是 空 間 結(jié) 構(gòu) ， ANSYS 中 選

4、 用 三 維 的 有 限 元 單 元 。 三 維 梁 單 元 有 BEAM4、0 引言塔 式 起 重 機 （簡 稱 塔 機 ） 作為 現(xiàn)代施工中的關(guān)鍵起 重 設(shè) 備 ， 金 屬 結(jié) 構(gòu) 作 為 塔 機 的 主 要 骨 架 ， 其 結(jié) 構(gòu) 強 度 和 剛度決定著塔機的工作 可靠性和安全性 。 隨 著 高 層 建 筑 結(jié) 構(gòu) 的 增 多 ， 塔 機 的 滿 載 率 加 大 ， 工 作 繁 忙 程 度 加 重 ， 有些塔機大部 份 工 作 時間已在高應(yīng)力 水 平下運行 ， 特 別 是塔機在滿 載起升及滿載 變幅等動 態(tài)沖擊載荷對塔機結(jié) 構(gòu) 產(chǎn)生的應(yīng)力沖擊 影 響 ， 是 塔機在工作中結(jié)構(gòu)破壞 主 要

5、 原 因 之 一 ， 因 此 ， 對其進 行結(jié)構(gòu)靜態(tài)和動態(tài)分 析 是塔機 設(shè)計中一項極為 重 要的 工 作 。 由 于 在 工 程 試 驗 及 檢 測 中 多 采 用 過 載 方 式 進 行 加 載 ， 從靜力學(xué) 的角度考慮塔機結(jié) 構(gòu) 的 動 態(tài) 效 果 ， 為 了更好地對當(dāng) 前塔機結(jié)構(gòu)在工作情況 下的動態(tài)響應(yīng)情況進 行 分析 ， 本文利用瞬態(tài)動力 學(xué) 的方 法 ， 基 于 ANSYS 對 塔 機 起重 臂進行動力學(xué)求解 ， 分 析 塔機在載荷動態(tài)沖擊 下起 重臂的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng) ， 為 塔 機 的開發(fā)設(shè)計和施 工 安全提供參考 。BEAM44、 BEAM188 和 BEAM189 等 ，這 些

6、 單 元 各 具 特點 ， 可 以滿足不同的分析要求 。 根據(jù)塔機結(jié)構(gòu)的特征 ，對 于 塔 身 、 平衡臂及起重 臂 主要桿件處 理 為 梁 單 元 ， 選 擇 BEAM188 單 元 進 行 模 擬 即 可 滿 足 分 析 要 求 。 BEAM188 單 元 建 立 在 Timoshenko 梁分析理論基 礎(chǔ) 上 ， 保持梁 的主要特征即近似描 述 三維實體結(jié)構(gòu)的 一 維 構(gòu)件 的 特 點 外 ， 增 強 了 其 橫 截 面 定 義 功 能 ， 改 進 了 梁 構(gòu) 件 另 外兩位的可視化 特 性 。 考慮了剪切變形 影 響 ， 在 單 元 插 值 函 數(shù) 中 ， 撓 度 和 截 面 轉(zhuǎn) 動

7、進 行 各 自 獨 立 插 值 ， BEAM188 為 線 性 梁 單 元 ， 具有 更強的非線性 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 選 擇 三 維 桁 架 單 元 link8 （Structural link 3D spar 8）1 有限元模型的建立（1） 結(jié) 構(gòu) 簡 化 及 假 設(shè) 根 據(jù) GB/T13752-92 塔 式 起 重 機 設(shè) 計 規(guī) 范 的 規(guī) 定 ， 塔機必須工作在材料 彈 性 范 圍 內(nèi) ， 故 本 文 在 建 模 、 加載及求解過程中只考 慮 彈性 情 況 ， 而 不 考 慮 材 料 塑 性 的 影 響 。為

8、 了 塔 機 建 模 更 為 合 理 ， 有 限元建模時根據(jù)實際情 況進行必要簡化 ： 由于 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)等實體部件相 對 塔機 2 。收 稿 日 期 ： 20090226基 金 項 目 ： 建 設(shè) 部 項 目 （06-k8-8）； 遼寧省省級重點實驗室開 放 基 金 （JX200701）作 者 簡 介 ： 李 娟 娟 （1982- ） ， 女 ， 遼 寧 人 ， 在 讀 碩 士 研 究 生 。 主 要 研 究 方 向 ： 機械設(shè)計及理論 。進 行 模 擬 。三 維 桿 單 元 link8 是 2 節(jié) 點 3 自 由 度 的 軸 向拉 伸 壓 縮 桿 件 單 元 ， 主 要 用 于 模 擬 兩 端

9、 結(jié) 點 鉸 接 的 空間 桿 件 ， 不考慮桿件的 彎曲及扭轉(zhuǎn)變形 。112·制 造 業(yè) 信 息 化·回 轉(zhuǎn)平臺屬于板殼結(jié)構(gòu) ， 回 轉(zhuǎn)支撐屬于三維實體結(jié) 構(gòu) ， 由于相對塔機整體 結(jié) 構(gòu)而言幾何尺寸較小 ， 而 剛 度 大 且 質(zhì) 量 集 中 ， 對塔機 結(jié)構(gòu)進行整體分析時 ， 將 回 轉(zhuǎn) 支 承 采 用 梁 單 元 進 行 等 效 ， 避免了梁單元與 板 殼單元不同 自 由 度 產(chǎn) 生 的 連 接 問 題 ， 對應(yīng)內(nèi)塔節(jié) 的四個主肢節(jié)點定 義 為 3D 的 MASS21 質(zhì) 量 單 元 。 該 單 元 是 具 有 6 個 自 由 度的質(zhì)量點單元 ， 能體現(xiàn)三維的質(zhì)量集

10、中 。 平 衡 重 、 起 升 、變 幅 機 構(gòu)等作 為塔機的集中質(zhì)量 ，同 理 將 對 應(yīng) 位 置 的 節(jié) 點 定 義 為 3DMASS21質(zhì) 量 單 元 。（ 3） 建 立 有 限 元 模 型 。 根 據(jù) 設(shè) 計 要 求 定 義 塔 機 各 結(jié) 構(gòu) 的 截 面 參 數(shù) ， 將 每 根 桿 件 相 交 的 點 處 理 為 節(jié) 點 ， 采 用 直 接 法 和間接法相結(jié)合 的 建 模 方 法 建 立 有 限 元 模 型 ，如 圖 1 所 示 。間 為 1/6s。 根據(jù)塔機的起升特性 曲線和實際的工作情 況 ， 吊鉤以及變幅小車的 質(zhì) 量加在起吊物體的質(zhì)量 ， 各 加載工況下瞬態(tài)沖擊 的 作用力如

11、表 1 所 示 。表 1 幾種工況下瞬態(tài)沖擊的作用力Tab.1 Force of trans ie nt im pact unde r s om e kind condition基 于 上 述 工 作 ， 對塔機有限 元模型進行瞬態(tài)動力學(xué) 求 解 ， 對塔機起升載荷 沖 擊求解 。 塔機起升載荷對 結(jié) 構(gòu) 的沖擊應(yīng)力及相應(yīng) 動 載系數(shù)如表 2 所 示 。 在 工 況 1 情 況 下瞬態(tài)沖擊如圖 2 所 示 ， 在 70m 臂 端 的 滿 載 起 升 沖 擊 對 塔機的影響還是很大的 ， 最 大 變 形 為 1.8m 發(fā) 生 在 起 重 臂 的 臂 端 ， 應(yīng)力最大的點 在前拉索與上弦桿的 交

12、點向臂 端 ， 最 大 應(yīng) 力 為 201.9MPa， 而 前拉索下的下弦桿都 受 壓 應(yīng) 力 ， 為 173.9MPa。 塔機在臂端起吊 重 物時其結(jié)構(gòu)屬于 懸 臂 梁 ， 上弦桿的拉應(yīng)力 特 別大 ， 而下弦桿的壓應(yīng) 力 比 其 他 各處的應(yīng)力要大 。 不 同 的 工 況 下 ， 由 于 受 力 狀 態(tài) 的 改 變 ， 塔機各部分的 應(yīng)力值都發(fā)生了變化 。 工 況 2 和 工 況 3 時受力較大是 后拉索和下弦桿 。表 2 起升載荷對結(jié)構(gòu)的沖擊應(yīng)力及相應(yīng)動載系數(shù)Tab.2 Im pact s tre s s and corre s ponding dynam ic load coe ffi

13、cie nt for lifting load to the jib s tructure邊界條件處理2根 據(jù)上述結(jié)構(gòu)簡化及假設(shè) ， 塔身與地基用地腳螺栓 相 連 ， 認為在底部能承 受 彎矩 ，約 束 4 個 節(jié) 點 的 6 個 自由 度 ； 塔身節(jié)之間的銷軸 連 接可視為剛性連接 ； 吊 臂 根部 通 過 銷 軸 與 回 轉(zhuǎn) 臺 相 連 ， 故在臂架起升平面 可 認為是 鉸 支 座 ； 吊臂和平 衡臂拉桿吊點兩端分 別 固接在塔頂和 對 應(yīng) 吊 點 處 ； 由于塔身的剛度很大 ， 上 部 彎 矩 小 ， 故 可 把 塔 頂 與 上 回 轉(zhuǎn)支座的連接及 下 回轉(zhuǎn)支座與塔身的連接 同 樣視為剛

14、性連接 。 內(nèi)塔節(jié) 和塔身節(jié)相連處 （即 變 截 面 處 ） 采 用 耦 合 處 理 ， 約束其 對應(yīng)節(jié)點的六個自由度 ； 在吊臂根部與轉(zhuǎn)臺 相連 處也采用耦合處理 ，動 自 由 度 ， 以反映起 重臂真實連接情況 。僅 釋 放 Z 向 轉(zhuǎn)塔 機設(shè)計計算時需要考 慮 的載荷有自重載荷 、 起 升載 荷 、 風(fēng)載荷以及回轉(zhuǎn) 慣 性載荷等 ， 本文主要對塔 機 在0°方向起升平面內(nèi)動 態(tài) 沖擊求解分析 ，自 重 載 荷 是 塔 機各組成部分的 重 力 ， 集 中 質(zhì) 量 利 用 MASS21 單 元 進 行 模擬 ， 而梁桿結(jié)構(gòu)的質(zhì) 量 通過設(shè)定材料密度確定 ； 起 升 載 荷 通 過

15、變 幅小車的 行走輪作用在吊臂的 下 弦桿上 ， 根 據(jù) 上 述 簡 化 及 假 設(shè) ， 起升載荷可用集 中 力來模擬 。 變 幅 小 車 、 吊鉤滑 輪組與吊重一起作為 起 升載荷施加 。 將 風(fēng) 載荷 轉(zhuǎn) 化 為 ANSYS 中的方向加速度在 模 型中添加 。由 于 塔 機的起升載荷動 載 沖擊通常是考慮靜載 乘 以動 載 系 數(shù) ， 根 據(jù) 起 重 機 設(shè) 計 規(guī) 范 ， 動 載 系 數(shù) 取 1.25。 從 表 2 中 可 以 看 出 ， 結(jié) 構(gòu) 有些位 置的動載系數(shù)大于 1.25， 這 比 保 守 的靜態(tài)試驗來檢 驗 塔機要合理 ， 更 容 易 把 握 危 險 點 、 危 險 截 面

16、； 同 時 ， 在施 工過程中應(yīng)盡量避免 大 載 荷 的 動 態(tài) 沖 擊 。塔 機在工作時經(jīng)常是滿 載 運行 ， 塔 機 起 重 臂 較 長 ，3 瞬態(tài)動力學(xué)計算塔 機 工 作 幅 度 為 3.970m， 起 升 重 量 為 520t。由于塔機起升瞬間 產(chǎn) 生的沖擊載荷對結(jié)構(gòu)的 沖 擊 影 響 很大 ，載 荷 起 升 沖 擊 時 間 在 0.10.2s 內(nèi) ，本 文 設(shè) 定 起 升 時113工 作 情 況70m， 5t36m， 12t22m， 20t最 大 應(yīng) 力（MPa）最 小 應(yīng) 力（MPa）變 形（m）最 大 應(yīng) 力（MPa）最 小 應(yīng) 力（MPa）變 形（m）最 大 應(yīng) 力（MPa）最

17、 小 應(yīng) 力（MPa）變 形（m）靜 態(tài)154.02-130.881.416111.56-110.691.116112.90-101.981.138動 態(tài)沖 擊201.90-173.921.887131.27-137.861.592129.32-141.421.542動 載系 數(shù)1.311.321.331.181.241.421.141.381.35工 況距回轉(zhuǎn)中心距離 （m）起 重 量（t）作用于塔機的等效力 （N）工 況 1705F0= （5+1.5）9810=63765工 況 23612F0= （12+1.5）9810=132435工 況 32220F0= （20+1.5）9810=21

18、0915·制 造 業(yè) 信 息 化·變 幅小車運行引起的沖 擊 載荷對結(jié)構(gòu) 存 在 影 響 。 滿 載時 ， 塔 機各危險部分 結(jié) 構(gòu)應(yīng)力較大 ， 對 起 重 臂 結(jié) 構(gòu) 破 壞 有 著 不 可 忽 視 的 影 響 。 設(shè)計人員必須要考 慮 塔機滿載時 變 幅 引 起 的 沖 擊 對塔式起重機起重 臂 的沖擊以及各部分 的 應(yīng) 力 ， 本文進行塔機滿載 變 幅動態(tài)分析 ， 選 擇 塔 機 運 行 3s 的 沖 擊 進 行 求 解 ， 分析塔 機起重臂的動態(tài)沖擊效 果 。 計 算 結(jié) 果 如 表 3 所 示 ， 75m5t 臂 端 Y 方 向 位 移 變 化 曲 線 如 圖 3

19、 所 示 ， 36m12t 臂 端 Y 方 向 位 移 變 化 曲 線 如表 3 塔機滿載變幅的應(yīng)力、應(yīng)變及變形Tab.3 Full load am plitude s tre s s , s train and dis tortion of tow e r crane起 升瞬間的應(yīng)力 為 最 大 值 ， 達 到 了 192.8MPa， 變 形 為1.5m。 到 第 2s 時 ， 應(yīng) 力 變 為 171MPa， 其 變 形 達 到 了1.99m。 隨 著變幅小車從臂端向回 轉(zhuǎn) 中心運行 ， 變 形 逐 漸 減 小 ， 應(yīng)力也逐漸減小 。 在 此 期 間 ， 起 重 臂 的 變 形 隨 時 間

20、的 變 化 而 波 動 ， 滿載變幅時 起重臂所受到的的沖擊 載 荷 在 第 1 秒時對結(jié)構(gòu)沖 擊而產(chǎn)生的應(yīng)力最大 ， 但 此 時 的變形不是最大 。 在 第 2 秒時雖然應(yīng)力值有所 減 小 ， 但 此時的變形最大 。 因 此 ， 在 塔 機 施 工 中 ， 滿 載 運 行 時 ， 應(yīng) 控 制 變 幅 小 車 的 運 行 速 度 ， 避免因運行過 程 中突然起 制動而導(dǎo)致的 結(jié) 構(gòu)變形和破壞 。結(jié)束語4本文利 用 ANSYS 建立了塔機有 限元模型 ， 分 析 了 塔機 在 工 況 水平變幅及載荷起 升 瞬間對起重臂結(jié)構(gòu)的動態(tài) 沖 擊 ，模 擬塔機在變幅 及 起升過程中的情況 ，獲 得 了 載

21、 荷 沖擊對起重臂結(jié)構(gòu)的影響及應(yīng)力情況 ，塔 機的 起 升 載 荷 動 載沖擊結(jié)構(gòu)有些位置的動載系 數(shù)較大 ，在施工過程中應(yīng)盡 量 避 免 大載荷的瞬間起 升 和制動動態(tài)沖擊 ；同 時 ，在 塔 機 滿 載 變 幅 運 行 時 ，應(yīng) 控制變幅小車的運行速度 ，避 免 因 運 行過程中突然起制動而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形和破壞的發(fā)生 。參 考 文 獻 ：1 GB/T 13752-92，塔式起重機設(shè)計規(guī)范S.2 鄭 夕 健 ，謝 正 義.有限元單元在塔機分析中的應(yīng)用J. 建 筑 機 械 化,2007,2.3 徐 樹 東 . 塔式起重機結(jié)構(gòu)分析中有限元技術(shù) 的 應(yīng) 用 J. 建 筑 機 械 化,2006,3.

22、4 劉 佩 衡塔式起重機使用手冊M北 京 ：機械工業(yè)出版社 ，2002.圖 4 所 示 。 從 表 3 及 圖 3、 4 可 以 看 出 ，在 工 況 1 時 ，Dynamic Analysis of Tower Crane Jib Based on ANSYSLI Juan-Juan， FEI Ye， XIE Zheng-Yi（School of Traffic & Mechanical Engineering ， Shenyang Jianzhu University ， Shenyang Liaoning 110168， China）Abstract: This article

23、set up the finite element model of tower crane based on ANSYS, through the transient dynamics solution, the hori - zontal variable amplitude load and the instantaneous lifting load for the structure dynamic impact of tower crane jib are studied and analyzed, the variable amplitude and lifting proces

24、s situation of tower crane are simulated, the stress situation of jib are obtained, then the load dynamic impact influence of jib structure is analyzed, these results can have provided the reference for the tower crane design and operation.Key words: ANSYS； tower crane； dynamic analysis4 董 洪 智,林 忠 欽

25、,陳 關(guān) 龍. 車身覆蓋件沖壓仿真結(jié)果對比分析J.汽車 工 程,2000,3.5 孫 惠 學(xué),等.奧迪轎車外門板拉深成形數(shù)值模擬研究J.秦 皇 島 ：板 材沖壓理論及先進技術(shù)研討會論文集,2000,8.（上 接 第 97 頁 ）3 H. Yao, C. -C. Chen; S. -D. Liu; K. P. Li, C. Du; L. Zhang Lami -nated Steel Forming Modeling Techniques and Experimental Verifi -cationsJ. SAE International,2003,1.Analysis about the Punching Process to Sheathings of the Automobile Body by Means of ComputersHUA Jian， ZHANG Bin（College of A