塔式起重機臂架的有限元分析

塔式起重機臂架的有限元分析

0塔機臂架的有限元分析塔式重型機器（以下簡稱塔機）是一種重要的制造機械。由于其工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)頭大、施工高度高、施工方便等優(yōu)點，已成為施工中的主要樹種之一。塔機臂架(即塔機的工作裝置)是塔機的重要組成部分,它是靠電動機驅(qū)動來完成物料吊卸的空間桁架結(jié)構(gòu),其設(shè)計水平的高低直接影響整機的工作性能。塔機臂架作為塔機的工作裝置,在塔機產(chǎn)品的設(shè)計內(nèi)容中處于核心地位,但其傳統(tǒng)的設(shè)計方法普遍是依據(jù)材料力學(xué)中的許用應(yīng)力校核原理得出的,真正分析的對象僅僅是臂架結(jié)構(gòu)的截面形狀和面積等參數(shù)。由于受工作量限制,該方法只能驗算幾個在理論上認(rèn)為是危險的截面,計算的精度從建模開始就受到限制,不僅工作量很大并且具有一定的盲目性,已不能適應(yīng)由激烈市場競爭造成的最短周期產(chǎn)品設(shè)計的要求。伴隨著計算機技術(shù)的進(jìn)步,目前國內(nèi)外先進(jìn)的機械產(chǎn)品設(shè)計制造都離不開有限元分析(FiniteElementAnalysis,FEA)計算,在工程設(shè)計和分析中受到越來越廣泛的重視,其計算結(jié)果不僅詳盡,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進(jìn)行機械產(chǎn)品的設(shè)計計算將會極大地提高設(shè)計效率、保證其設(shè)計質(zhì)量。設(shè)計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進(jìn)行仿真分析,就能真實地反映機械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程,并進(jìn)行各種類型的力學(xué)分析,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更加合理。本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對塔機臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速校核分析。1靜態(tài)有限元分析塔機在工作過程中絕大部分的載荷來自自重和吊重的作用,還包括慣性載荷、風(fēng)載荷等。但是無論這些外界載荷作用點在塔機的什么部位,最終都要傳遞給塔機鋼結(jié)構(gòu),因此,鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能很大程度上決定了整機質(zhì)量的好壞。作為工作裝置的臂架鋼結(jié)構(gòu)更是如此,其結(jié)構(gòu)強度等性能是塔機整體鋼結(jié)構(gòu)最為核心的內(nèi)容。為了考察臂架鋼結(jié)構(gòu)有限元分析的效果,本文嘗試對QTZ40塔機的臂架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)強度和模態(tài)特性分析。靜態(tài)有限元分析是計算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),它不考慮慣性和阻尼的影響以及結(jié)構(gòu)隨時間變化的載荷情況,通過結(jié)合有限元理論,從靜力學(xué)、幾何學(xué)和物理學(xué)三方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,計算節(jié)點在載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移,從而在塔機產(chǎn)品設(shè)計初期全面了解其在不同工況下的強度狀況,確定應(yīng)力、應(yīng)變危險點,同時也能為塔機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析指導(dǎo)。模態(tài)特性分析也是有限元分析中的重要內(nèi)容,它主要用于確定結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性,同時也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法對處于設(shè)計階段的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析主要采用計算方法和模態(tài)參數(shù)識別實驗法,以獲得相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)。通常需求的模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等,其中最重要的是頻率、振型和阻尼比。對于無阻尼系統(tǒng)需求的模態(tài)參數(shù)就是固有頻率和振型,這兩個參數(shù)對于識別和改善結(jié)構(gòu)動態(tài)特性有著重要的意義,因為它表明著在哪幾種頻率下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共振以及在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對變形。但是由于塔機臂架體積大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,屬于多自由度系統(tǒng),而多自由度系統(tǒng)振動時,同時有多階模態(tài)存在,每階振動模態(tài)就要用一組模態(tài)參數(shù)來確定。故而采用傳統(tǒng)方法對其進(jìn)行模態(tài)分析具有一定難度。應(yīng)用有限元分析的方法很好地解決了這一問題。2梁單元的建立以某廠生產(chǎn)的QTZ40塔機為例,筆者在有限元分析軟件ANSYS中建立塔機臂架的有限元模型。建立的臂架金屬結(jié)構(gòu)采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235,該材料的彈性模量由于塔機臂架的實際結(jié)構(gòu)主要是由桁架焊接成的,且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜,結(jié)合其實際受力特點,有限元模型的單元類型選擇彈性三維梁單元BEAM4。BEAM4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)點上有六個自由度:在建模過程中,為了保證臂架模型的有效完整和實際的可操作性,筆者做了以下三點處理。1)臂架主弦桿和腹桿的每個連接點都根據(jù)實際尺寸建立了節(jié)點,另外每段臂節(jié)的連接點也建立了節(jié)點,保證有限元模型與塔機在幾何上相同。2)對結(jié)果影響不大的局部結(jié)構(gòu)(如鋼絲繩、吊鉤等)由于它們的質(zhì)量與整個臂架相比顯得很小,為建立模型方便可以不用考慮。3)臂架根部是通過銷軸與塔機的回轉(zhuǎn)節(jié)相連的,故在臂架起升平面可認(rèn)為是固定鉸支座;兩個吊點位置是通過銷軸將拉桿與臂架相連的,經(jīng)過分析,可以看出拉桿對臂架的位移限制僅限于豎直方向,故吊點位置僅施加豎直方向的位移約束。在約束載荷施加于物理模型之后,完整的臂架模型就建好了,如圖2所示,所有單元均視為彈性單元,不計結(jié)構(gòu)阻尼。此模型具有134個節(jié)點數(shù),365個梁桿單元數(shù)。3靜力學(xué)性能分析靜力學(xué)強度分析是任何機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的重要方面,其主要目的是要確定結(jié)構(gòu)在靜力條件下受指定載荷、溫度和約束時的應(yīng)力和位移分布。為了保證結(jié)構(gòu)能正常工作,必須滿足強度、剛度和穩(wěn)定性等方面的要求?？梢哉f,應(yīng)力、應(yīng)變分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的基本內(nèi)容,而臂架的靜強度分析主要任務(wù)就是計算在固定不變載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及反力等的大小,即討論臂架結(jié)構(gòu)受到外力后的變形、應(yīng)力和應(yīng)變,以便對其強度進(jìn)行校核,保證結(jié)構(gòu)既安全、正常工作,又符合經(jīng)濟(jì)性的要求。結(jié)合相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗,塔機臂架靜強度分析計算時需要考慮的主要載荷如下。1重復(fù)使用臂架自身金屬結(jié)構(gòu)、各工作機構(gòu)和附屬設(shè)備自重引起的重力載荷,是臂架最主要的載荷。2提升負(fù)荷是起升質(zhì)量即塔機總起重量的重力?？紤]工況的不同,筆者施加的起升載荷也會不同。32損壞塔機或其起重小車運行時,由于軌道不平整而產(chǎn)生的沖擊載荷以運行沖擊系數(shù)乘以自重載荷和起升載荷加以考慮。這里取沖擊系數(shù)為1.1。42工作狀態(tài)的風(fēng)負(fù)荷,其中,5臂架前端加載1t工況分析在高溫或低溫環(huán)境下需要加以考慮。根據(jù)QTZ40型塔機的工作特點,筆者在這里分五種工況進(jìn)行模擬計算分析,分別是前端加載1t、外拉桿節(jié)點附近加載1.2t、兩拉桿中間加載2.2t、內(nèi)拉桿附近加載4t和最近端加載4t(圖2中①～⑤)這五種不同工作情形。盡管工況不同,但分析的方法和過程都是一致的。限于篇幅,筆者以前端加載1t工況為例做簡要介紹。此工況施加載荷后的計算結(jié)果如圖3所示。計算中載荷施加情況和采用的單位如下。臂架前端施加的載荷簡化為沿整體坐標(biāo)系-定義一個沿著臂架模型重力方向(本文是沿整體坐標(biāo)系-風(fēng)載以面壓力的形式加在臂架架體迎著風(fēng)向的受力面上;根據(jù)理論計算分析,在塔機工作時,風(fēng)側(cè)向吹時最為不利,因此這里僅考慮側(cè)向風(fēng)載荷。本文中計算值單位:圖3中的應(yīng)力數(shù)值單位為MPa,變形數(shù)值單位為mm。通過對圖3所示前端加載1t工況下計算總體應(yīng)力圖結(jié)果進(jìn)行分析,其中最大應(yīng)力為69.45MPa,小于角鋼的許用應(yīng)力,故臂架所受靜強度低于材料的強度極限,滿足設(shè)計時的性能要求。由此可見,根據(jù)實際所用的型材情況并結(jié)合空間桁架結(jié)構(gòu)的受力特點,用不同截面的梁單元組來模擬塔機臂架整體結(jié)構(gòu),最終可以建立出合理的有限元模型。在這個模型的基礎(chǔ)上,用不同的節(jié)點約束來簡化模擬臂架工作時與塔機主體的連接情況,并施加完整的載荷進(jìn)行靜力學(xué)求解,可以很好地分析出臂架的整體應(yīng)力分布等特性,從而可以在臂架初步設(shè)計時就對其受力特性進(jìn)行合理的評定。4避免共振的特性塔機的臂架結(jié)構(gòu)在工作時,由于起重小車運行時的軌道不平整、電動機的突然啟動和停止以及風(fēng)載等眾多因素影響,不可避免地受到?jīng)_擊動載荷的作用,這時結(jié)構(gòu)將承受強烈的沖擊振動,當(dāng)這種振動與自身固有頻率相等時,要發(fā)生共振現(xiàn)象,使振幅變大,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生很大的動應(yīng)力,從而破壞結(jié)構(gòu),嚴(yán)重危及到人身安全。因此在塔機產(chǎn)品的整體設(shè)計中,動態(tài)設(shè)計的要求越來越迫切。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計的核心,在機械產(chǎn)品設(shè)計中研究結(jié)構(gòu)振動問題的一個重要目的是避免共振。具體的機械結(jié)構(gòu)可以看成是多自由度的振動系統(tǒng),具有多個固有頻率,在阻抗試驗中表現(xiàn)為有多個共振區(qū),在幅頻特性曲線中表現(xiàn)為有多個峰值。這種在自由振動時結(jié)構(gòu)所具有的基本振動特性就稱之為結(jié)構(gòu)模態(tài)。在對臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時,由于求解的是其固有特性(固有頻率和固有振型),與所受外力無關(guān),故可忽略外部載荷的作用。筆者在所建立的ANSYS塔機臂架模型上,采用子空間方法(subspace)提取了臂架的前六階模態(tài),結(jié)果如圖4所示。從計算的各階振型來看,臂架的二階及五階振型都表現(xiàn)為臂架扭轉(zhuǎn),整個臂架繞主參考坐標(biāo)系得出臂架的各階模態(tài)有很大的現(xiàn)實意義,既可以用其指導(dǎo)塔機產(chǎn)品的設(shè)計,也可以對設(shè)計結(jié)果予以檢驗。例如,一般塔機的風(fēng)載頻率在0.25Hz左右變化,與臂架的前幾階振型固有頻率有可能相近,如果這樣會引起塔身的扭轉(zhuǎn)共振,所以在設(shè)計時,設(shè)計人員必須努力避開這個頻率。本文的研究對象很好地做到了這一點。塔機的頂升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、變幅機構(gòu)以及起升機構(gòu)各個電動機的振動激勵頻率也是必須要考慮的重要因素,設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真地與有限元分析得出的結(jié)果進(jìn)行比對,使得這些電動機的激勵頻率遠(yuǎn)離塔機各主要部件的固有頻率,以免共振現(xiàn)象的出現(xiàn),產(chǎn)生設(shè)計缺陷。由臂架的固有頻率和外激勵頻率可知,其前四階頻率及主振型可以很好地描述臂架結(jié)構(gòu)的振動特性,所以可以得出結(jié)論:對塔機臂架的模態(tài)分析,只需要側(cè)重于對前四階固有頻率及主振型的計算就可以有效地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。5靜力與模態(tài)特性本文運用ANSYS軟件對某廠生產(chǎn)的QTZ