基于ANSYS的塔式起重机抗震分析

l 8 8 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g n Ma n u f a c t ur e 第 7期 2 0 1 2年 7月 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 2 0 7 0 1 8 8 0 3 基于 A N S Y S的塔式起重机抗震分析 木 何银 晖谷 立 臣姬 鹏斌 西安建筑科技大学 机电学院 机械电子工程专业 西安 7 1 0 0 5 5 Se i s mi c An a l y s i s o f To wer Cr a n e Ba s e d o n ANSYS HE Yi n h u i GU L i c h e n j I P e n g b i n Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l T e c h n o l o g y R e s e a r c h I n s t i t u t e X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y X i a n 7 1 0 0 5 5 C h i n a t 一 d d 计 d 汁 d 十dp 一 十d e 十 十 1 一 q 十 t q 一 摘要 对塔式起重机 A P D L参数化建模型 地震动力和地震谱进行了分析和探讨 在此基础 上就 Q T Z 6 3 0型塔 式起重机 系统进行 了模 态 动 力响应和地震谱 响应计算分析 分别得 到 了塔式起 重机 系统地震谱作用前后振动频率 以及位移响应时间历程 结果对塔式起 重机抗震设计及塔 式起 重机稳定性监测点布局有着 实际意义 分析 结果明确反映 出塔式起 重中机在 实际工作状 态下塔机 最大应力位置 为塔机应力监测点布局提供 了理论依据 并通过理论推 导和模型仿真的方式证 明以 塔机形变转角作为塔机动力稳定性监测物理量的可行性 使得 实现塔机动态稳定性 实时监 测变得 方便 可行 关键词 抗震分析 塔式起重机 A P D L 结构优化 A b s t r a c t A P D L P a r a m e t r ic m o d e l i n g th e S e i s m i c R e s p o n s e a n d e a r t h q u a k e s p e c t r a l r e s p o n s e r t h e t o w e r c r a n e w e r e a n al y z e d a n d d i s c t a s s e d b a s e d o n t h i s Q T Z 6 3 m o d al a n al y s i s d y n a m i c r e s p o n s e a n d e a r t h q u a k e s p e c t r al r e s p o n s e f o r t h e t o w e r c r ane s s y s t e m w e r e c alc u l at e d a n d a n al y z e d a n d t h e v i b r ati o n f r e q u e n c y b e f o r e and a f t e r t h e e a r t h q u ake s p e c t r u m f o r t h e t o w e r c r a n e s y s t e m w e r e r e s p e c t i v e l y o b t a i n e d as w e l l as t h e t i m e p r o c e s s o f d i s p l a c e m e n t r e s p o nse T h e r e s u h s h a v e p r a c t i c al s i g n ifi c a n c e f o r s e i s mi c d e s i g n and t h e s t a b i l i t y m o n i t o r i n g s t a t i o n s l a y o u t of t o w e r c r a n e and i n d i c at e d e fin i t e l y t h e n s t r e s s l o c ati o n oft h e t o w e r c r a n e i n p r a c t i c al w o r k i n g c o n d i t i o n w h i c h p r o v i d e a t h e o r e t i c al b asi s f o r t h e l a y o u t o f t h e s t r e s s m o n i t o r i n g p o i n t A n d t h e f e asi b i l i t y t o a p p l y d e f o r m ati o n c o r n e r p h y s i c al q u a n t i t y m o n i t o r i n g 厂 0 r d y n a mi c s t abi l i t y of t h e t o w e r c r a n e i s p r o v e d t h r o u g h t h e t h e o r e t i c al d e r i v ati o n a n d m o d e l s i m u l ati o n S O t h a t i t b e c o me s c o n v e n i e n t a n d f e asi b l e t o r e al i z e t h e r e al t i m e mo n i t o r i n g of t h e d y n a mi c s t abi l i t y of t h e t o we r c r a n e Ke y W o r d s To we r Cr a n e S e i s mi c An a l y s i s AP DL S t r u c t u r e Op t i mu m 中图分类号 T H1 6 T H 2 文献标识码 A 1引言 近年来国内外地震中塔式起重机断裂倒塌的事故时有发生 地震发生地及周边地区的塔式起重机均产生了不 同程度的破坏 和影响 根据调查统计 2 0 0 8 年汶川 I 地震发生时 地震造成多台 塔机发生不同形式与程度的故障ll l 由此可见地震对塔式起重机 的影响十分严重 从 Q T Z 6 3 0 塔式起重机人手 利用有限元软件 A N S Y S 应用 A P D L参数化建模方法建立塔式起重机模型 进行其模态分析得 到塔机前 2 4阶固有频率及其模态 选取真实地震波记录 E L C e n t r o 波 采用 时程历经分析法分析塔机空载与带载工况下地 震波的影响 得到塔式起重机在地震力作用下变形和应力 显示 最大应力所在节点为塔机抗震结构优化与应力监测点布局提供 理论参考 应用 A P D L参数设计对模型型钢类型 结 构材料 刚度进行 修改 衍生不同类型塔机 分别进行抗震性能分析比较 得 抗震 性能最优模型 为未来塔式起重机的抗震分析设计提供有利参考 价值 2工况概述与建模 2 1塔式起重机主要工况 1 塔式起重机形式多种 结构各不相 同 以陕西兴平 某专 业生产塔式起重机厂家提供的Q T Z 6 3 0型塔式起重机为例 应用 A N S Y S Y中的 A P D L参数化建模方法建立塔机基本模型 再通过 参数优化设计功能衍生其他功能塔机模型 Q T Z 6 3 0型塔式起重 机是根据最新标准 G B I 9 4 6 2 1 9 9 9 塔式起重机技术条件 目 研制 来稿 日期 2 0 1 1 0 9 0 6 k基金项 目 国家 自然基金项 目 5 0 9 7 5 2 1 8 陕西省教育厅专项基金 0 9 J K 5 2 0 西安建筑科技大学科学摹金 Q N1 0 1 9 第 7期 何银晖等 基于AN S Y S的塔式起重机抗震分析 1 8 9 而成的新一代 自升塔式起重机 该机最大起重量为 6 t 额定起重力 矩为 6 3 k N m 固定式起升高度为4 0 m 附着式起升高度 1 4 0 m 平 衡臂长度 5 5 m 主要采用钢构式桁架结构 塔身主弦杆为 1 6号角 钢 斜腹杆为 9号角钢 横梁 为 7 5号角钢 起重臂 主梁为 1 0号 槽钢对焊 斜腹杆和横梁均采用外径 4 3 mm空心圆管 平衡臂主 梁为 2 0 号热轧工字钢 2 根据 塔式起重机设计规范 中所述 塔式起重机应考虑 最大起重量与最远起重距离及非公作状态时的危险工况日 列举 的为Q T Z 6 3 0 型塔式起重机四倍率起重性能曲线 如图 1 所示 Q t 四倍 率起重性能曲线 t I 1 4 8 0 2 5 l 0 l 5 2 U 2 5 3 0 3 5 4 O 5 0 m 图 1四倍率起重机性能曲线 由图 1 可知 在起吊位置距回转中心距离小于 1 4 8 m的幅 度区间内 塔机最大起重量为 5 t 最大起重量随着距离 的增大呈 曲线规律变化 当起吊位置为最大时 即幅度 5 0 m处 起重量减 为 1 2 t 以最大起重量为5 t 作为研究工作工况进行讨论 2 2塔式起重机模型建立 2 2 1单元介 绍 根据塔式起重机主要结构特点 结构主要有限元单元如下 塔身标准节 回转节 塔帽 起重臂 平衡臂 采用 B e a m1 8 8 上回 转支座 下回转支座采用 S h e l l 6 3 平衡重采用 S o l i d 9 5 起升机构 起重小车 起重吊钩 驾驶室采用Ma s s 2 1 2 2 2 A P D L参数建模 对于塔式起重机结构采用 A N S Y S自带的 A P D L语言 用命 令流建模十分方便 而且便于修改和移植 运算速度也比较快 模 型参数化设计首先定义参数化变量 保证结构单元类型不变 主 要以改变梁单元截 面尺 寸和 型钢类型 衍生不同类型塔式起重 机 主要参数化后主要模型 如图2 所示 图 2 Q T Z 6 3 0 有 限元模型 y方 向表示水平方向 Z方向表示竖直方 向 3计算与结果 3 1模态分析 1 A N S Y S中的模态分析就是根据结构的刚度及强度为已 知条件 计算结构振动微分方程中的特征值与特征向量 并以图 形化的方式展示结构各振型的振动特点 由于塔机结构部件在动 载荷作用下的振动阶段以及受到强烈动载荷后的自由振动阶段 的振动特征均与其自身振型与频率有关 因此 对塔机进行模态 分析 计算出塔机的各阶固有频率及掌握其各阶振型 A N S Y S 共 提供了多种模态分析方法 计算使用B l o c k n e z o s 法 分别计算 塔式起重机前 2 4阶模态分析得到塔机各阶模态下固有频率 如 表 1 所示 表 1多阶模态频率参数 由表 1中数据可以看出塔机固有频率随模态阶数增加频率 呈增加趋势 通过模态分析可以得到各阶模态对应振型 因篇幅 限制现下图列举了 1 3 6 7阶模态对应的振型图 如图 3 所示 b O 5 0 5 O 5 0 5 1 5 5 4 4 3 3 2 2 l 0 1 9 0 机械 设 计 与制造 No 7 J u l y 2 0 1 2 d 图 3模态分析振型图 3 2地震力响应分析 1 地震力属于偶然载荷 结构所受地震力不同于一般外 力 他是一种惯性力地震力可 以表示为 P fl E a G 1 式中 一动力放大系数 G 一塔机结构重力载荷 q 一水平地震影响系数 地震动力响应需要给出随时间变化的地震加速度数据 地 震加速数据参考 E I C e n t r o 地震加速度曲线 N S 分量 地震加速 度 如图 4所示 4 00 0 3 0 0 0 2 00 0 瑙1 0 0 0 0 嗣 一 1 0 0 0 2 0 0 0 作用 时最大位移量 两种衍生塔机与原塔机保持材料和重量不 变 且 Q T Z 6 3 0系列塔机其他厂家有过这样 的产品 分析图形可 以发现将标准节立柱的 1 6号角钢改成相同材料的矩形钢后同一 节点位移明显变小 而将塔臂槽钢换成工字钢后的模型地震力作 用下同一节点位移反而变大 2 00 0 1 O0 o 0 一 1 0 0 0 一2 00 0 3 00 0 4O oo 2 Oo 0 0 一2 00 0 坦 一 4 0 0 0 6 oo O 00 2 0 4 0 6 0 载荷步 s 图 5地震 力响应的位移图 U l 2 j 4 载荷步 s 图 6地震力响应的位移 比较图 4结论 基于 A N S Y S软件对塔式起重机进行 了 模态分析 地震力响 应应分析和地震谱分析得出以下结论