（机械电子工程专业论文）qtz630型塔式起重机结构有限元分析及地震影响研究.pdf

摘要 塔式起重机是高层建筑施工中常用的特种设备，其设计合理性直接关系到人民生命 财产的安全。目前，国内塔式起重机结构设计多以传统类比方法和静态性能计算为主， 导致一些塔式起重机存在着结构自重大、构造不合理、动态性能差等问题。因此，采用 更先进的计算分析方法，对塔式起重机静动态力学性能进行更精确的分析，为塔式起重 机的合理设计提供科学依据，具有非常重要的意义。 本论文采用a n s y s 有限元分析软件，建立q t z 6 3 0 型塔式起重机不同高度和附着 条件下有限元分析模型，并对其静态特性进行了分析。结果表明，该机塔身最大应力远 小于材料的许用应力，塔身安全余度较大；塔式起重机最大位移随着高度的增加而增大。 在静态分析的基础上，对q t z 6 3 0 独立状态两种高度下固有振动模态进行了分析。 结果表明，独立状态两种高度塔式起重机的前8 阶固有频率相同，主要变形都发生在起 重臂或者平衡臂上；塔身的固有频率随着高度的增加而降低。 为了研究地震对塔式起重机的影响，对q t z 6 3 0 独立状态两种高度加载了地震载 荷，进行了时程分析。结果表明，塔机顶点最大位移和支座最大反力的发生都有一定的 滞后性；塔机顶点最大位移随着塔机高度的增加而增大。 关键词：有限元法，a n s y s ，塔式起重机，地震，时程分析 a b s t r a c t t o w e rc r a n ei ss p e c i a le q u i p m e n tc o m m o n l yu s e di nt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h - r i s e b u i l d i n g s t h ed e s i g no ft o w e rc r a n ei sd i r e c t l yr e l a t e dt op e o p l e sl i v e sa n dp r o p e r t ys a f e t y a tp r e s e n t ，h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a la n a l o g ya n ds t a t i cc a l c u l a t i o na r ep l a y i n gm a i nr o l e si n t h ed e s i g na n db r i n g i n gt o w e rc r a n es o m ep r o b l e m ss u c ha sh i g hw e i g h t ，i r r a t i o n a ls t r u c t u r e a n db a dd y n a m i cp e r f o r m a n c e s oi th a sv e r yi m p o r t a n ts i g n i f i c a n tt h a tam o r ee f f e c t i v e m e t h o di su s e dt oa n a l y z et h es t a t i ca n dd y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft o w e rc r a n e s a c c u r a t e l ya n dp r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rt h er a t i o n a ld e s i g no ft o w e rc r a n e s i nt h i sp a p e r ，t h es o f t w a r ea n s y si su s e dt ob u i l dt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft o w e r c r a n eq t z 6 3 0i nd i f f e r e n th e i g h ta n da t t a c h m e n ts t a t e t h e n ，t h es t a t i cm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec r a n ea r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m u ms t r e s so fm a s ti s f a rl e s st h a nt h em a t e r i a la l l o w a b l es t r e s s t h e r ei sal a r g e rs a f e t yr e d u n d a n c yi nt h em a s to f t o w e rc r a n e t h em a x i m u md i s p l a c e m e n to ft o w e rc r a n ei n c r e a s i n gw i t hi t sh e i g h t b a s e do nt h es t a t i ca n a l y s i s ，t h en a t u r a lm o d e so ft h ec r a n ei nn oa t t a c h m e n ts t a t ea n d t w o h e i g h t sa r ea l s oa n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef i r s t8 - o r d e rn a t u r a lf r e q u e n c yo f t o w e rc r a n ep a r a m e t r i cm o d e li nt w o h e i g h t si ss a m e ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm o d es h a p eo n l y o c c u r r e do nl i f t i n gj i bo ra r m t h en a t u r a lf r e q u e n c i e si n c r e a s ew i t ht h em a s t sh e i g h t i no r d e rt os t u d yt h ei n f l u e n c e so fs e i s m i co nt h et o w e rc r a n e ，t h es e i s m i ca c c e l e r a t i o n l o a d sa r el o a d e do nt h en oa t t a c h m e n tc r a n ew i t ht w od i f f e r e n th e i g h t s ，a n dt h et i m e h i s t o r y o fr e s p o n s ei sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h el a r g e s td i s p l a c e m e n ta tt h et o p o ft o w e rc r a n ea n dt h em a x i m u mr e a c t i o nf o r c eh a sac e r t a i nd e l a y c o m p a r i n gw i t ht h e a c c e l e r a t i o nl o a d s t h em a x i m u md i s p l a c e m e n ta tt h et o po ft h eh i g h e rt o w e rc r a n ei sl a r g e r t h a nt h a to ft h el o w e ro n e k e y w o r d s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n s y s ，t o w e rc r a n e ，s e i s m i c ，t i m e - h i s t o r ya n a l y s i s l i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 蚺 3 参 1 年夕肜日 而 如0 7 年f 月相 长安人学硕上学位论文 1 1 塔式起重机的特点及应用 第一章绪论 塔式起重机也叫塔机或者塔吊，它具有工作效率高、回转半径大、起升高度大、操 作方便以及结构模块化便于安装、拆卸及运输等特点，鉴于塔式起重机的上述优点，它 在建筑安装工程中得到了广泛地使用，并成为一种重要的施工机械。如图1 1 所示，塔 式起重机的塔身可以靠近建筑物，当塔身高度过大时，其塔身还可以通过附着装置连接 到建筑物上，增加其塔身刚度，鉴于这个特点，塔式起重机的幅度利用率可达全幅度的 8 0 ，而普通履带式和轮胎式起重机由于其结构设计原因，其幅度利用率不超过5 0 ， 且幅度利用率随着建筑物高度的增加还会急剧地减少。鉴于塔式起重机的这个优点，塔 式起重机在高层工业和民用建筑施工中的使用中一直处于领先地位。高层建筑施工中使 用塔式起重机可以明显缩短工期、降低工程造价、加快施工进度。同时，伴随着建筑物 结构件的预制装配化、工厂化等新工艺、新技术应用的不断扩大，对未来的塔式起重机 发展也提出了新的要求： ( 1 ) 工作速度高且还具有安装微动性能及良好的调速性能； ( 2 ) 起升高度、工作幅度和起重力矩都要大； ( 3 ) 要求塔式起重机的结构部件装拆、运输方便迅速以适应频繁转移工地的需要。 b ) 图1 1 幅度利用率比较 a ) 塔式起重机；b ) 直线臂轮胎起重机 第一章绪论 1 2 塔式起重机发展概况及其展望 1 2 1 塔式起重机发展概况 由于欧洲是近代工业的发源地，而且经济社会发达，因此第一台塔式起重机也起源 于欧洲。1 9 0 5 年在欧洲出现了一种塔身固定的装有臂架的起重机，随后，经过工程师 和技术人员的不懈努力和积极改进，出现了第一台塔式起重机的雏形，之后又经过工程 技术人员的不断改进，终于在1 9 2 3 年，第一台近代塔机的原型样机出现，随后这种塔 式起重机便在德国进入工业化生产阶段，生产出来的成品开始被应用于建筑施工，这大 大促进了建筑施工技术的进步和发展。随着塔式起重机的工业化发展的进程，终于，在 1 9 4 1 年，在德国出现了塔式起重机的第一个标准一德国工业标准d i n 8 6 7 0 。德国的这 个第一个标准规定以起重量( t ) 和起重幅度( m ) 乘积的起重力矩表示塔机的起重能力，这 个规定到现在还一直被塔式起重机行业所采用。在我国，从1 9 4 9 年中华人民共和国建 国后，伴随这我们的经济社会大发展，塔式起重机的生产和应用也已走过6 0 多年的历 程，经历了一个从测绘仿制到自行设计制造的过程。我国也由一个塔式起重机的弱国变 成强国。 2 0 世纪5 0 年代，新中国成立后，我们经济社会开始大发展，为了满足国家的这种 需要，我国从社会主义盟友苏联和东欧的一些社会主义国家引进了一批塔式起重机，在 使用的过程中，我国也组织技术专家对样机进行研究和仿制，以改变我们国家塔式起重 机单纯依靠进口的局面。1 9 5 4 年我国的技术专家对德国的建筑师一型塔式起重机进行 技术攻关，经过不懈努力，终于在中国抚顺试制成功了中国第一台t q 2 一型塔式起重 机。接着，在原有技术的基础上，我国积极研究吸取工业技术比我国先进的苏联的塔式 起重机制造技术，研制出了1 5 t 与2 5 t 塔式起重机，但是，在这个时期，由于新中国成 立时的一穷二白，工业化基础薄弱，我国生产与使用的塔式起重机的数量都较少。 到2 0 世纪6 0 年代，经过建国十年的技术积淀和工业化基础的进一步加强，我们开 始自己设计制造塔式起重机。1 9 6 1 年，经过各方面技术专家的不懈努力，我国试制成 功了红旗叫型塔式起重机，这标志着我国进入了一个自行设计制造塔式起重机的阶段。 紧接着，经过技术改进和攻关，t q “型塔式起重机也被制造出来，截至到1 9 6 5 年， 我国已有l o 余家生产塔式起重机的企业，年生产塔式起重机3 6 0 多台。不过鉴于技术 原因，这个时期生产的塔式起重机都采用下回转动臂式，没有进行模块化设计，不便于 拆卸、安装和运输，但是可整体拖运。总的来说，这个阶段生产的塔式起重机的塔身高 2 长安大学硕士学位论文 度不高，仅能满足六层以下民用建筑施工的需要。这种塔式起重机大大促进了我们当时 的社会经济发展。 从2 0 世纪7 0 年代起，文革后，我国社会经济生活步入正规，广大人民迫切要求发 展经济。为了满足这个时期经济社会发展的需要，我国投入大量人力物力进行塔式起重 机的设计研究。经过广大技术人员的不懈努力，中国第一台下回转式轻型轮胎轨道两用 起重机终于在1 9 7 2 年问世：同年，q t 仁1 0 型自升式塔式起重机问世，该机也为我国 自主设计制造，其起重力矩为1 6 0 0 k n m 。同时，z t l 0 0 、z t l 2 0 型等小车变幅自升式塔 式起重机、q t 4 一- 2 0 小车变幅内爬式塔式起重机，q t l l 6 、t q 4 0 、t q 4 5 、t d 2 5 、q t g 4 0 、 q t g 6 0 下回转动臂自行架设快装塔式起重机等一些塔式起重机产品也相继问世，这时 期我国塔式起重机的年产量最高超过9 0 0 台，这大大满足了我们经济社会建设的需要， 这也标志着我国塔式起重机行业进入一个崭新的阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代，随着现代科学技术技术，我国在原有塔式起重机设计的基础 上，相继研制出了不少塔式起重机新产品，其中主要有q t s o a 、q t z l 0 0 、q t z l 2 0 等 自升式塔式起重机，q t 6 0 、q t k 6 0 、q t 2 5 h k 等下回转快装塔式起重机和q t 9 0 上回 转动臂下顶升接高塔式起重机等。这些塔式起重机产品在性能方面已接近和达到国外发 达国家7 0 年代的技术水平。这一时期的我国塔式起重机的年产量大增，其最高年产量 达1 4 0 0 台。与此同时，随着改革开放和国际技术交流的增多，为满足建筑施工的需要， 我国从西方工业发达国家引进了一批技术水平比较高的塔式起重机产品，其中主要为一 些国际塔式起重机大企业如德国的l i e b h e r r 、法国的p o t a i n 以及意大利的e d i l n m e 等公 司的产品。这些制造质量较好，技术性能比较先进塔式起重机的引进，极大地促进了我 国塔式起重机产品的设计与制造技术的进步。 从2 0 世纪9 0 年代以后，我国经济社会迅猛发展，这也促使我国塔式起重机行业随 着全国范围内建筑任务的增加而进入了一个新的兴盛时期，其年产量连年猛增，而且从 一个单纯的进口国转变为部分产品可以出口的国家。全国塔式起重机的总拥有量也从 2 0 世纪5 0 年代的几十台到截止本世纪初约为6 万台。这也标志着，我国无论从生产规 模、应用范围和塔式起重机总量等角度来衡量，均可以称得上是一个塔式起重机的大国 和强国。 1 2 2 塔式起重机发展展望 2 0 世纪中叶出现的计算机技术，极大的改变了我们的社会，塔式起重机的发展也 3 第一章绪论 不例外。计算机技术和新材料技术的发展也为塔式起重机的设计创新提供了一个良好的 技术平台，未来塔式起重机的的发展主要体现在以下方面： 1 材料 新技术催生新材料，新材料的出现也为塔式起重机的发展提供了一个良好的技术基 础。塔式起重机的臂架可以采用一些高强度结构钢，这样可以最大限度地减轻臂架重量 而增加吊重，提高吊重和机重的比例系数而增加平衡臂上的配重。同时，臂架还可以选 用一些冲击韧性好的高性能材料，这样就可以使得动臂式塔式起重机的重量变轻，动臂 式塔式起重机重量变轻后，其变幅速度和效率都可以得到提高。 2 规模 在规模上，塔式起重机向大型化发展，特别对于一些大的钢结构件的安装以及国防 需要的大吨位吊重和大幅度起重机的研制，是未来塔式起重机的一个很好的发展方向。 3 结构 新的设计方法和设计软件，也为塔式起重机的结构设计提供了良好的改进平台。塔式起 重机结构方面未来的发展方向主要体现在以下几个方面： 1 ) 塔式起重机各部分结构模块化设计与拆装。 2 ) 塔式起重机的各部分结构日趋紧凑设计，尽量减少各部位体积。 3 ) 塔式起重机的简捷设计。最大限度地使塔式起重机的结构简单，尽量减短塔式起重 机的结构各部分力的传递路线和改善力的传递路径，提高塔式起重机结构可靠性， 改善塔式起重机的加工工艺，降低塔式起重机的制造成本。通过改进塔式起重机结 构和制造工艺，使力流按照捷径由载荷附加点传到支承，使传递力的杆件数量尽可 能减少，并保证塔式起重机结构的力流平滑，避免塔式起重机结构的应力集中。 4 人性化设计 人性化设计是一种新的设计理念，这一理念就是在设计文化的范围内，产品设计师 要提升人的价值，尊重人的需求和需要，改变过去那种仅考虑产品的技术方面的设计要 求而不考虑使用产品的人的需求，使使用产品的操作人员的人感觉特别不舒服。要改变 这种不足，未来的塔式起重机就要在下面两方面进行人性化设计。 a ) 自动化与智能化 提高塔式起重机设备的自动化和智能化是当前主要的发展方向。2 0 世纪中叶，电 子计算机出现并迅速发展，这使得计算数学得到了空前的发展，同时也为测量仪器仪表 的发展提供了广阔的前景，通过给塔式起重机的各个部位贴应变片实现对塔式起重机的 4 长安大学硕一l ：学位论文 各部分工作状态进行在线检测、故障分析，并对危险情况进行提前报警 b ) 产品的外观 产品人性化设计一个方面就是产品的外观及颜色，这个也是产品以个很好的卖点。 这一点在国内塔式起重机行业还没有得到充分的重视。我们在重视产品的质量等内在文 化的同时，也应该重视产品的外在文化，提高人们对该产品的好感，使客户用起来更舒 j 心。 1 3 课题研究的背景及意义 目前，在国内塔式起重机结构设计中，传统类比设计和静态性能计算等传统方法还 占据着主要地位。这种方法的基本步骤就是：先选择国内或者国外某种已经成熟的塔式 起重机产品，根据这些塔式起重机的结构参数和构造尺寸先初步确定所要设计的塔式起 重机的结构参数和尺寸。然后再参照塔式起重机设计规范的设计标准对设计的塔式 起重机进行结构强度、稳定性等校核。这样设计的塔式起重机，它的设计计算过程复杂、 周期长。由于类比法对传统经验的要求较高，误差较大，这样就导致设计出来的塔式起 重机的各个部件的重量都比较偏大，限制了塔式起重机的效率，塔式起重机的各个杆件 的应力分布和构造尺寸也偏大，造成了材料的极大浪费。同时这种采用传统设计方法来 改进初始设计方案则需要多次修改塔机结构设计参数，进行重复计算，工作量将非常巨 大【1 j 。 同时，现在执行的塔式起重机的设计规范对塔式起重机的动态性能也没有提出什么 硬性的要求。这就给广大塔式起重机生产企业一种假象，好像塔式起重机的动态性能并 不重要，其实恰恰相反。根据相关调查发现，由于塔式起重机的动态性能设计不合理， 塔式起重机的固有频率等于或者接近塔式起重机上电动马达的频率，在塔式起重机的运 行过程中，会产生共振想象，影响塔式起重机操作者的舒适度和塔式起重机的可操作性， 严重的会造成工程事故。由于塔式起重机的固有频率在塔式起重机设计完成时也就基本 确定，所以塔式起重机的动态舯i - t 厶匕i = j l 二应得到塔式起重机设计者的充分重视【l 】。 a n s y s 是一种应用广泛的有限元分析软件，具有静力分析、动力学分析和热分析 等多种功能。塔式起重机是一种杆件结构的钢结构件。a n s y s 软件的相关模块对于类 似于塔式起重机这种杆件结构具有较高的分析精度。用有限元法代替结构分析中的截面 法，用计算机计算代替传统的手工计算，不仅可以减少计算工作量，提高计算精度，还 可以全方位地得到所有杆件的受力状态，为塔式起重机的设计与改进提供更全面、更可 5 第一章绪论 靠的依据。 另外，2 0 0 8 年发生在四川省汶川8 0 级大地震，对远在千里之外的西安运行的塔式 起重机也造成了较大的破坏。全市1 2 0 0 多台塔式起重机，3 0 受到了不同程度的损坏， 其中高度较高的2 0 台塔式起重机受到的损坏很严重。这给人民生命财产造成了巨大损 失。因此，鉴于我国国土面积大，地震发生的不确定性，研究地震对塔式起重机的影响 也有很大的现实意义【2 1 。 1 4 课题研究的现状 针对于塔式起重机的各个部分，国内外已有不少人做过相关的研究。但多数针对于 塔式起重机的某一部件进行研究，系统地对塔式起重机的动、静态特性以及地震对塔式 起重机影响的研究还并不多见。下面是笔者搜集的已有的研究成果： 1 秦可新于2 0 0 5 年对曾在山东某企业测试1 台q t z 2 0 塔机，当幅度r - - 2 5 m 、起重 量q = o 8 t 时，塔帽前主弦杆出现了失稳现象，实测最大压应力值达到2 3 0 m p a ，远 远超过q 2 3 5 b 钢材许用压应力1 4 6 8 7 m p a ，接近屈服极限应力2 3 5 2 m p a t 川。 2 郑夕健、谢正义、张国忠、陈红军于2 0 0 7 年针对塔式起重机在有限元分析软件 a n s y s 中建模单元的选择应用，从塔机建模结构简化、受载特征出发，结合a n s y s 中有限元单元理论进行了探讨和分析，得出了塔机建模中的单元组合方案，并以 某塔机为例进行有限元分析求解，将计算结果与试验数据作对比，论证了方案的可 行性l 制。 3 常晓华、王春华于2 0 0 6 年对塔式起重机起重臂有限元模型的建立、建模中的结构 简化、单元选择、载荷处理及求解过程等作了探讨和分析，在此基础上利用a n s y s 有限元软件对k 5 0 5 0 塔式起重机起重臂进行有限元分析求解，讨论并得出在几种 典型工况下反映起重臂结构工作状态的一系列应力危险点【5 1 。 4 张淑锋于2 0 0 3 年以q t z 6 3 塔机为研究对象，按设计提供的载荷及几何参数，运用 i _ - d e a s 软件先对回转支承系统三维建模，再进行结构有限元分析，依据强度及变 形结果，找出塔机各种工况下高应力区域、变形明显部位出现的规律，并分析对塔 机系统产生的影响。最后对实物结构进行了应力及变形测试，对比分析和验证分析 结果【6 】o 6 长安大学硕上学位论文 5 于扬、韩泽光于2 0 0 7 年基于有限元技术，利用有限元分析软件a n s y s 对某塔式起 重机进行有限元建模分析，对建模中的结构简化、单元选择、边界条件处理等进行 了探讨和分析，并在此基础上对塔式起重机进行有限元求解分析，将分析结果与该 r 1 1 塔机现场试验结果进行比较，验证了模型的可行性v 1 。 6 苗雨顺、王乔、许芹祖于2 0 0 3 年运用有限元板壳理论，建立了回转平台有限元模 型，得出了回转平台的应力分布，准确描述了回转平台的受力状态【6 j 。 7 郑海斌、彭卫平、张大可于2 0 0 4 年发表文章利用有限元方法对起重臂的建模约束 处理作了探讨，在此基础上对塔机起重臂进行了优化分析，得到了起重臂优化后 的结构参数，并对获得的成果进行了分析【9 1 。 1 5 论文的主要工作 本论文以陕西某企业生产的q t z 6 3 0 塔式起重机为研究对象，进行以下几个方面的 研究： 1 利用a n s y s 软件建立塔式起重机的有限元模型 根据塔式起重机设计规范和有限元相关理论方法，分别建立2 5 m 、3 6 m 、6 0 m 、 9 5 m 、1 2 0 m 五种高度的有限元模型。 2 对塔式起重机进行结构静力分析 根据塔式起重机设计规范和有限元相关理论方法，将塔式起重机的各种载荷加 载到a n s y s 中的塔式起重机的有限元模型上，利用a n s y s 软件的结构静力处理模块， 分别对5 种高度的塔式起重机有限元模型进行结构静力分析。利用a n s y s 软件的后处 理功能绘出塔式起重机的应力云图和位移云图，对塔式起重机的各个部件的受力和变形 有个全面的了解，并提出改进建议。 3 对塔式起重机进行模态分析 利用a n s y s 软件的动力学模块，对2 5 m 和3 6 m 两种高度的塔式起重机有限元模 型进行模态分析，计算出塔式起重机的前2 0 阶固有频率，并利用a n s y s 软件的后处 理功能绘出塔式起重机的各阶振型图。 4 分析地震对塔式起重机的影响 对2 5 m 和3 6 m 两种高度q t z 6 3 0 型塔式起重机在地震载荷作用下进行时程分析。 时程分析利用a n s y s 软件的瞬态分析模块。最后再利用a n s y s 软件的后处理功能 7 第一章绪论 p o s t 2 6 查看顶点的位移时程变化和支座的反力时程变换，分析地震对塔式起重机的影 响。 8 长安大学硕： ：学位论文 第二章有限元法与a n s y s 软件简介 2 1 有限元方法简介 有限元方法是一种现在的计算方法，它的发展是和电子计算机技术的发展密不可分 的。由于2 0 世纪5 0 年代在飞行器设计领域急需新的计算方法来解决实际中遇到的问题， 有限元方法就是在这种背景下产生的。由于这种分析方法特有的优势，渐渐的它就被广 泛应用于机械设计、电磁场、热传导等其他领域。 2 1 1 有限元法分析计算的基本思想 有限元方法是把一个连续的物体当成由有限个基本单元体组成的集合体，相邻的单 元与单元之间通过节点处连接，其它的地方不相连，节点的位移分量是未知量，我们把 这个未知量作为结构的基本未知量。通过这种有限元方法，有无限多个自由度的连续体 的问题就被简化为有限个自由度的离散系统的力学问题。然后，在把有无限多个自由度 的连续体的问题简化为有限个自由度的离散系统的力学问题的基础上，用一个简单的数 学函数来近似表达单元位移分量的分布规律，这就是所谓的选择位移模式，然后再通过 力学原理来确定单元节点作用力与节点位移之间的关系。最后，把有无限多个自由度的 连续体的问题简化成的有限个自由度的单元按照节点位移连续和节点作用力平衡的原 理进行集总，从而得到整个系统的平衡方程组。接下来，列出连续体的边界条件方程、 作用力方程和激励方程，通过方程的联立，就可以求解系统的节点位移，再通过节点位 移进行几何方程和物理方程转变，就可以得到各节点的静应力，到此就完成系统静力学 求解i 。 2 1 2 有限元法分析的基本步骤 通过总结，我们把有限元分析方法分为以下几个步骤【1 】： 1 结构的离散化 有限元分析方法就是把一个连续的整体划分为有限个单元体，对这些单元体进行分 散分析，分散分析后，通过对分散分析所得结果进行处理得出整体的计算结果。对一个 结构物进行分析的第一步就是把一个连续的整体划分为有限个单元体，这就是所谓的离 散，离散的时候划分有限体个数因求解问题的精度、效能要求等因素的不同而不同，划 分后的有限体的单元与单元、单元与边界之间通过节点连接。 9 第二章有限元法与a n s y s 软件简介 2 确定单元的位移模式 结构离散化后的下一步工作就是对典型单元进行特性分析。在进行典型单元特性分 析时，需要用节点位移来表示单元体内的位移、应力和应变，为了使节点位移满足这些 条件，需要对节点位移进行一些假设，假设位移是坐标的某种简单函数，这种简单函数 也称为位移模式或者插值函数。 选择适当的位移函数是有限元分析方法中的关键。这个位移函数的数学运算应该比 较方便，而且可以用来逼近单元体的光滑局部，单元的自由度和解的收敛性要求可以通 过这个位移函数来实现。通过对比研究，多项式可以满足位移函数的要求。可以用多项 式的项数来表示单元的自由度数，多项式的阶次还可以表示常数项和线性项。单元节点 独立位移的个数称为单元的自由度。依据选定的插值函数，我们就可以用节点位移来表 示单元内任意一点位移的表达式，其矩阵形式是： 厂) = 】 6 p q j 式( 2 1 ) 中： 厂) 为单元内任意一点的位移列阵； 6 ) p 为单元的节点位移列阵； 【】为形函数矩阵，它的元素是位置坐标的函数。 3 分析单元的力学特性 位移函数选定以后，接下来就可以进行单元的力学特性分析，单元的力学特性分析 重要包括三部分内容： 1 ) 用几何方程，根据位移表达式( 2 1 ) 导出节点位移表示单元应变的关系： = b 6 ) p ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中： ) 为单元内任意一点的应变列阵； b 为单元应变矩阵。 2 ) 利用本构方程，根据应变的表达式( 2 2 ) 导出用节点位移表示单元应力的关系式： 0 1 = 叫 ) = 吲 6 式( 2 3 ) 中： o 】为单元内任意一点的应力列阵； l o ( 2 3 ) 长安人学硕士学位论文 【d 】为与单元材料有关的弹性矩阵。 3 ) 利用变分原理，建立作用于单元上的节点力与节点位移之问的关系式，也就是 单元的平衡方程： f ) p = k p 【6 p 他4 ) 【k 】8 = 【b 】7 d 】 曰】d x d y d z ( 2 5 ) 式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 中：【k 】8 为单元刚度矩阵； ， 8 为等效节点力。 4 集合所有单元的平衡方程，建立整个结构的平衡方程 建立整个结构的平衡方程的集合过程有以下两方面的内容：一是把各个单元的刚度 矩阵集合成整个物体的整体刚度矩阵；二是把作用于各单元的等效节点力列阵，集合成 总的载荷列阵。直接刚度法是目前最常用的集合刚度矩阵的方法。通常来说，集合前 提要求就是假设所有相临的单元在公共节点处的位移相等。在假设的前提下，我们就可 以得到以整体刚度矩阵【k 】、载荷列阵 f 以及整个物体的节点位移列阵 6 ) 表示的整 个结构的平衡方程： k = 【尸】 ( 2 6 ) 5 求解未知节点位移 求解平衡方程组( 2 6 ) 就可以解出未知位移。在线性平衡问题的分析求解中，我可以 根据所求解方程组的具体特点来选择合适的计算方法。 6 计算单元应力 当每个单元的单元刚度方程确定后，再把各个单元的解集合，这称为整体结构进行 分析，从而建立表示整个结构节点平衡的方程组，也就是整体刚度方程。最后导入结构 的边界条件，对各个方程组进行求解运算，得出节点位移，再进一步求出各单元的内力 和变形。 2 2a n s y s 简介 a n s y s 软件是可以进行结构、流体、热、电磁、声学予一体的大型通用有限元商 用分析软件，这个软件在航空航天、机械制造、能源、核工业、铁道、石油化工、电子、 第二章有限冗法与a n s y s 软件简介 造船、汽车交通、国防军工、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工 业及科学研究领域都有非常普遍的应用。大多数计算机及操作系统上都可以非常顺利的 运行a n s y s 软件，这些计算机小至个人的p c 机大到计算机工作站直至巨型计算机， 而且目前市面上的所有的产品系列和工作平台对a n s y s 的文件都有非常好的兼容性； a n s y s 软件还提供了m o t i f 的菜单系统，这个菜单系统可以使用户能够通过对话框、 下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择，这些人机交互界面大大的方便了用户操 作。a n s y s 软件是开放商是美国a n s y s 公司，美国a n s y s 公司是世界上最大的有限 元分析软件公司之一。a n s y s 软件可以与目前市面上大多数c a d 软件的接口实现数 据的共享和交换，这使其成为现代产品设计中的高级c a d 工具之一。 2 2 1a n s y s 软件提供的分析类型 a n s y s 软件提供多种分析类型，诸如结构静力分析、结构动力学分析、结构 非线性分析等，下面为一些分析类型的简介【l o 】： 1 结构静力分析 结构静力分析主要功能是用来求解外载荷在所分析结构上引起的位移、应力 和力。a n s y s 中的结构静力分析功能对线性分析和非线性分析都可以使用。这里 的非线性分析主要包括如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析等一些 非线性变形。 2 结构动力学分析 结构动力学分析功能是用来求解结构对于随时间变化的载荷的反应。结构动 力学和结构静力分析不同，其主要区别为结构动力学分析是要考虑随时间变化的 力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 软件的结构动力学包括：瞬态动力学 分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。 3 结构非线性分析 结构非线性就是指结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 软件对 静态和瞬态非线性问题都可以进行求解，结构非线性分析包括材料非线性、几何 非线性和单元非线性三种。 4 动力学分析 a n s y s 软件还可以分析大型三维柔体运动。动力学分析就是当运动的积累的 影响对结构的运动发挥主要作用时，我们就可以使用a n s y s 软件动力学分析来分 1 2 长安人学硕士学位论文 析复杂结构在空间中的运动特性，进而计算出结构中由此产生的应力、应变和变 形。 5 热分析 a n s y s 软件的热处理功能模块可以处理传导、对流和辐射这三种热传递的基 本类型。这三种热传递类型都可以进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。a n s y s 软件热分析模块还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析功能以及模拟热 与结构应力之间的热一结构耦合分析功能。 6 电磁场分析 a n s y s 软件的电磁分析功能主要用来分析电磁场问题如涡流、电场分布、磁 力线分布、力、运动效应、电感、电容、磁通量密度、电路和能量损失等的分析。 同时点此分析模块还可以用于发电机、变换器、磁体、调节器、电解槽及无损检 测装置等的设计和分析领域。 7 声场分析 a n s y s 软件的声场分析功能用来分析在含有流体的介质中声波的传播，它还 可以分析淹没在流体中的固体结构的动态特性。a n s y s 软件的这些功能还可以用 来确定音响话筒的频率响应，确定礼堂大厅的声场强度分布，也可以确定水对振 动船体的阻尼效应。 8 压电分析 a n s y s 软件的压电分析功能可以用来分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、 d c ( 直流) 等一些任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。a n s y s 软件的压 电分析功能可以用来对谐振器、麦克风、换热器、振荡器等部件及其它电子设备 的结构动态性能分析。 2 2 2a n s y s 软件的基本模块 a n s y s 软件主要包括三大部分，它们分别为：前处理模块，分析计算模块和 后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以 方便地构造有限元模型【l o 】。 1 a n s y s 软件的前处理模块主要有两部分内容，它们分别是：实体建模和网格 划分。 1 ) 实体建模 第二章有限元法与a n s y s 软件简介 a n s y s 程序提供了自顶向下和自底向上两种实体建模方法。自顶而下的建模 方法就是用户首先定义一个模型的最高的图的单元，这些图元可以是球也可以是 棱柱，定义了最高的图的单元后，a n s y s 软件的程序会自动生成这些图元的相关 的面、线和关键点。自底向上的建模方法就是首先定义最基础的关键点，由关键 点生成线，有线生成面，再由面生成体。自顶向下和自底向上两种建模方法在建 模时都可以采用布尔操作，布尔操作的各种实用功能可以让用户可以对线、面和 体进行各种相加、相交、相减等操作，使用户的建模更加方便和迅速，提高用户 建模的效率和速度。 2 ) 网格划分 a n s y s 程序网格划分功能提供了四种网格划分方法：延伸划分、映像划分、 自由划分和自适应划分。通过延伸网格划分功能，一个二维网格可以被延伸成一 个三维网格。通过映像网格划分功能，用户可以将几何模型分解成简单的几部分， 再通过给模型的各个部分选择单元属性和网格控制，生成映像网格。通过a n s y s 软件的自由网格划分器，用户可以对复杂的有限元模型进行直接网格划分，这样 做的目的就省去了用户对各个部分分别划分然后再进行组装时各部分网格不匹配 带来的麻烦。自适应网格划分功能就是在生成了具有边界条件的实体模型以后， 用户指示程序再根据实际的需要自动地生成有限元网格并且分析、估计网格的离 散误差，然后重新定义网格大小，并且再次分析计算、估计网格的离散误差，就 这样一直循环到误差低于用户定义的值或达到用户定义的求解次数为止。 2 分析计算模块主要功能是结构分析( 结构可进行线性分析、非线性分析) 、声 场分析、压电分析、流体动力学分析、电磁场分析、以及多物理场的耦合分析， 多种物理介质的相互作用也可以通过a n s y s 软件的分析计算模块功能进行模拟。 3 后处理模块包括p o s t 2 1 和p o s t 2 6 ，通过a n s y s 软件的强大功能，计算结果 可以以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、 透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，计算结果也可以以 图表、曲线形式显示或输出。 2 2 3 有限元软件a n s y s 结构线性静力分析基本过程 a n s y s 软件中的结构静力分析功能是用来计算结构在固定不变的载荷作用下的响 应，这可以说是计算稳念外载引起的系统或部件的位移、应力、应变和力。除此之外， 1 4 长安大学硕上学位论文 那些固定不变的惯性载荷以及那些可以近似等价为静力作用的随时间变化的载荷作用 下的结构静力分析也可以用a n s y s 软件的结构线性静力分析来模拟。 在结构静力分析过程中，静力分析施加的载荷包括以下几种：外部载荷、位移载荷、 温度载荷和稳态惯性力。这些载荷的共同特点是不随时间变化，或者是随时间的变化非 常缓慢，可以近似认为不随时间变化。 a n s y s 进行结构线性静力分析是a n s y s 软件的一大功能，它主要包括有以下主 要步骤【1 0 】： 1 建立有限元模型 在建立有限元模型的过程中，为了养成一个良好的工作习惯，分析工程的工作文件 名、工作标题应该首先被定义，这样也便于以后的存档和查找。接下来是定义单元类型、 单元实常数、材料模型及其参数，这些参数也可以在模型建立后进行定义。在结构线性 静力分析过程中，线性单元类型和非线性单元类型都可以进行分析，这里我们仅分析线 性单元：线性和非线性的材料、各向同性和各向异性的材料、与温度有关和与温度无关 的材料都可以进行结构静力分析。不过在选择材料时，必须遵守以下规n - 1 ) 材料的弹性模量e x 必须定义； 2 ) 如果需要对结构施加惯性载荷，则必须定义能求出结构质量的参数，如材料的 密度d e n s ； 3 ) 如果进行热一结构耦合分析，必须定义材料的线膨胀系数a l p x 。 2 加载求解 a n s y s 软件的加载求解包括以下几个步骤：首先进入求解器、定义分析类型和分 析选项，然后施加载荷，最后进行求解运算。 3 查看结果 在结构静力分析中，在加载求解后，所有的计算结果将被写入到结果文件 i o b n a m e r s t 中，这个结果文件包含以下数据： 1 ) 基本数据：节点位移信息( u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 、r o t z ) 2 ) 导出数据：包含节点和单元应力、节点和单元集中力、单元应变和节点支反力等。 在结果检查中，可以使用通用后处理器p o s t l ，也可以使用时间历程后处理器 p o s t 2 6 。p o s t l 后处理器可以检查整个模型在指定时间步长下的计算结果，而p o s t 2 6 主要用于非线性分析中特定加载历史下的结果跟踪。 第三章q t z 6 3 0 型塔式起重机结构静力有限元分析 第三章q t z 6 3 0 型塔式起重机结构静力有限元分析 3 1q t z 6 3 0 型塔式起重机概况 3 1 1q t z 6 3 0 型塔式起重机基本参数 本论文的具体研究对象为某建筑机械厂生产的q t z 6 3 0 型塔式起重机。该机为上回 转小车变幅自升式塔式起重机，其外形如图3 1 ，具体性能参数如下： 额定起重力矩：6 3 0 ( k n m )最大工作幅度：5 0 ( m ) 最小工作幅度：2 5 ( m )最大起重量：5 ( t ) 最大工作幅度起重量：1 2 ( 0 起升速度：4 3 4 3 8 6 8 6 ( m m i n ) 回转速度：0 6 5 0 4 9 ( r m i n ) 顶升速度：0 6 5 ( m m i n ) 变幅速度：4 0 2 0起升结构倍率：2 4 塔身横截面尺寸：1 6 0 0 x 1 6 0 0 ( m m )塔身标准节高度：2 5 0 0 ( m m ) 起重臂截面高度：9 6 0 ( n l l n )起重臂截面宽度：1 1 0 0 ( i i l l n ) 起升高度：独立式3 6 ( m )最大工作风压2 5 0 ( p a ) 附着式1 2 0 ( m ) 1 6 长安大学碰学位论文 器i 器氍船咖| u i e 删l l 圈3 1 q t z 6 3 0 型塔式起重机 塔式起重机q r z 6 3 0 塔身单节标准节高度为2 5 m ，单节标准节重量为o6 8 9 t 。独立 式的塔身的