塔式起重機整體結(jié)構(gòu)的有限元分析

1、第30卷第2期2009年2月煤礦機械CoalM ine MachineryFeb.2009塔式起重機整體結(jié)構(gòu)的有限元分析王仿,高頂(中國礦業(yè)大學機電工程學院,江蘇徐州221008摘要:根據(jù)塔式起重機的實際結(jié)構(gòu),利用ANSYS對其整體結(jié)構(gòu)進行建模和分析。在建模過程中,對塔式起重機結(jié)構(gòu)的簡化、單元的選擇、載荷的施加等進行探討和分析,并在此基礎(chǔ)上進行靜態(tài)有限元分析,其結(jié)果對塔式起重機的后續(xù)分析有重要意義。關(guān)鍵詞:塔式起重機;靜態(tài)分析;有限元分析中圖分類號:T H213;O242.21文獻標志碼:A文章編號:1003-0794(200902-0096-02 St ati c Fi n ite Ele

2、ment Analysis of W hole Structure of Tower CraneW ANG Fang,GAO D i n g(College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of M ining andTechnol ogy,Xuzhou221008,ChinaAbstract:Based on the real structure of the t ower crane,the ansysis has been carried out by ANSYS,a general FE A packa

3、ge.W hen the s olid model was created,the si m p lificati on of the structure of the t ower crane,the selecti on of the ele ment and the l oad of the l oads are discussed and analysed.And static finite ele ment analysis of t ower crane is done based on it.Further more,it is valuable f or op ti m ize

4、d design in the future.Key words:t o wer crane;static analysis;finite ele ment1有限元模型的創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的有限元分析,其力學模型正確與否直接影響到分析的結(jié)果。有限元模型的建立過程就是合理地并在一定控制精度內(nèi)簡化模擬仿真真實結(jié)構(gòu)。對于不同的分析目的就會存在不同的模型化方法?？梢园选安煌姆治瞿康摹庇谩耙朁c的變化”來表現(xiàn),在分析結(jié)構(gòu)整體變化時的情況把視點放置于遠方的場合,在分析結(jié)構(gòu)局部變化時的情況把視點放置于拉近時的場合。本文主要分析結(jié)構(gòu)整體的變化,所以把視點放置于稍微遠的地方,看到的塔式起重機就是由許多細長的構(gòu)件組合而成的

5、框架結(jié)構(gòu)。(1結(jié)構(gòu)分析的簡化由于回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實體部件相對塔機整體結(jié)構(gòu)而言幾何尺寸較小,而剛度較大、質(zhì)量較為集中,當對塔機結(jié)構(gòu)進行整體分析時,可以將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實體部件采用梁桿單元進行等效,使塔機的整體分析中只包含梁單元,避免了具有不同結(jié)點自由度的梁單元和板殼單元的聯(lián)接問題。另外,一般塔機都具有幾百甚至幾千根桿件,其輸入數(shù)據(jù)文件已經(jīng)很大,如果再同時分析回轉(zhuǎn)機構(gòu)的板殼結(jié)構(gòu),更將大大增大數(shù)據(jù)文件,甚至超出了計算機的工作能力。在做完整體分析之后,再將整體分析中得到的等效單元的結(jié)點力作為外載荷,采用板殼單元單獨分析回轉(zhuǎn)機構(gòu)。根據(jù)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),且對一般的中小型塔機的分析

6、不必考慮非線性因素,因此本文只討論線性分析。(2選擇單元類型具體選用某種單元,應(yīng)力求反映其結(jié)構(gòu)的力學特性為前提下,盡可能選用簡單的單元,使得模型既合理, 又節(jié)約計算時間。由于是分析結(jié)構(gòu)整體的變化,所以選用bea m4單元。此單元是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。這種單元在每個節(jié)點上有6個自由度:x、y、z三個方向的線位移和繞x、y、z三個軸的角位移。將塔式起重機結(jié)構(gòu)簡化為357個節(jié)點,491個梁單元。圖1即為塔式起重機的有限元模型。圖1塔式起重機的有限元模型(3定義材料屬性塔式起重機結(jié)構(gòu)主要采用Q235A碳鋼,彈性模量為212GPa,泊松比為0.288,密度為7.86×1

7、03 kg/m3。2邊界條件進行有限元計算時,模型的約束方式必須滿足的條件是:保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生剛體位移,也就是說必須有足夠的自由度約束,以保證結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為滿第30卷第2期塔式起重機整體結(jié)構(gòu)的有限元分析王仿,等Vol .30No .2秩矩陣,從而使整體剛度方程有唯一解。塔式起重機主要承受的載荷:(1塔式起重機自重以重力加速度的方式加到每個單元上。(2在塔臂配重端施加的配重以集中載荷的方式加到配重端的節(jié)點上。(3在塔臂最前端承受的吊重以集中載荷的方式加到前端的節(jié)點上。(4固定塔身底部約束塔身底部的4個結(jié)點的所有自由度。在本次分析中忽略其他作用力對塔式起重機的影響。3結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果由于直接在AN

8、SYS 里建立的有限元模型,模型里的單元和節(jié)點數(shù)目相對實體模型來說都很少,其計算過程很簡單,不會花費很長時間在求解過程。求解完成以后,分別對該結(jié)構(gòu)的強度和剛度分析如下(1強度分析 根據(jù)強度理論,結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強度,以保證在規(guī)定的使用條件下不發(fā)生意外斷裂或顯著塑性變形,所以對結(jié)構(gòu)進行強度分析是必要的。該結(jié)構(gòu)使用的材料為塑性材料,對于塑性材料,其屈服應(yīng)力s 小于強度極限,故通常以屈服應(yīng)力作為極限應(yīng)力。Q235A 碳鋼的屈服應(yīng)力值為235MPa,按屈服應(yīng)力所規(guī)定的安全因素n s ,通常取n s =1.52.2,在這取n s =2。可得許用應(yīng)力=s /n s =117.5MPa由于該結(jié)構(gòu)處于多向應(yīng)力

9、狀態(tài),所以選用第4強度理論即畸變能理論對輸料架強度進行分析。該理論的強度條件為r4=(1-22+(2-32+(3-12式中1第1主應(yīng)力;2第2主應(yīng)力;3第3主應(yīng)力;r4第4強度理論的等效應(yīng)力。根據(jù)ANSYS 的計算結(jié)果,最大等效應(yīng)力即相當應(yīng)力值為78.418MPa,位置如圖2中所示。 圖2等效應(yīng)力云圖r4=78.418MPa =117.5MPa,可知該結(jié)構(gòu)的強度滿足要求,儲備較大。從圖2中可以看出最大應(yīng)力發(fā)生在塔式起重機立著的部分,為了使結(jié)構(gòu)更為合理,可以對局部結(jié)構(gòu)進行修改。對于塔式起重機這類超靜定結(jié)構(gòu),切不可在缺少理論根據(jù)的前提下,采取簡單辦法去盲目地局部加強、加固,以免造成超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力的

10、重新分配而形成新的危險區(qū)域。即使是局部焊補加固,也需要在一定的理論分析的基礎(chǔ)下選擇合適的部位,以免造成只降低了最大應(yīng)力而沒有改善應(yīng)力集中的情況,實際的隱患并沒有消除。(2剛度分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,除應(yīng)滿足強度要求外,具有足夠的剛度也非常重要。將塔式起重機看作為外伸梁,對于梁的剛度條件為要求梁的最大撓度與最大轉(zhuǎn)角分別不超過各自的許用值。在此考慮最大撓度|w |max ,為許用撓度。根據(jù)ANSYS 計算結(jié)果如圖3,剛度滿足要求。圖3位移云圖4結(jié)語(1由以上分析,可以清楚地看到塔機所受到的最大、最小應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形情況,從而找出其危險點,為進一步改進結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。(2有限元分析法是結(jié)構(gòu)分析的快速有效的方法,特別是有限元分析軟件的應(yīng)用使復(fù)雜工程問題求解變得簡單。(3分析中仍然存在不足之處:對結(jié)構(gòu)模型的簡化相對粗糙;忽略了部分載荷對輸料架的靜態(tài)特性的影響。在以后的工作中可以對這方面進一步深化;有待進一步分析隨機載荷下的應(yīng)力響應(yīng)。參考文獻:1顧力強,林忠欽.FYC6100大客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析J .機械設(shè)計與研究,1998