塔式起重机钢结构有限元分析

PAGEPAGE1塔式起重机钢结构有限元分析内容摘要：运用有限元软件ANSYS对某塔式起重机钢构造进行建模分析，并对建模时模型的简化处理、单元选择以及荷载施加等关键技术进行了讨论。通过模态分析获得了塔机构造的固有频率和振型，结合塔机实际情况，分析了部分模态振型。本文关键词语：塔式起重机；有限元分析；模态分析TH2A引言：塔式起重机〔简称塔机〕是城市建设、工程施工中不可缺少的一种重要运输设备，它能够加快施工进度、缩短工期、降低工程造价。随着我们国家经济的快速发展和城市建设规模的不断扩大，大型工程和群体工程越来越多，塔式起重机在建筑行业的作用也越来越主要，为了提升效率，塔机不断向大型化、高速化发展，随之而来的塔机的振动问题也越来越突出[1]。因而，本文利用大型有限元软件ANSYS对塔机构造进行建模及模态分析，得到了塔机整体的振型，并对其进行了分析。1塔机模型的建立1.1塔机参数选取〔1〕塔身高：30m、悬臂长：45m、平衡臂一侧臂长：12m〔2〕标准节尺寸：1665×1665×2800mm〔3〕平衡重质量：10t、典型吊重工况：2m-6t，45m-1.5t〔4〕悬臂框架截面采取等腰三角形，边长分别为1665mm、1500mm1.2模型简化处理塔机的金属构造重要包含塔身标准节、塔顶、起重臂架、平衡臂、附着装配、变幅小车、吊钩以及上下转台、司机室等。它是一个复杂的金属构造，塔机有限元建模时，根据实际情况进行需要的简化[2]：〔1〕对塔机进行整体构造分析时，由于回转支承构造等实体部件相对于塔机整体而言几何尺寸较小，质量集中，且实体部分部分不易失稳，在进行整体分析时，将回转支承构造采取梁杆单元进行等效，使塔机的整体分析中只包括梁单元。〔2〕塔机底部构造与地基用螺栓相连接，塔机顶部与上回转支座连接以及下回转支座与塔身连接，各个标准节之间的连接作为固接支座处理。〔3〕起重臂根部与塔机的回转节相连，起重臂与2根拉杆的连接及拉杆与塔顶的连接，平衡臂的臂根和塔机回转节的连接、平衡臂和2根拉杆的连接及拉杆与塔顶的连接均根据固定铰支座来处理。〔4〕塔机司机室等附件相对于整体构造而言，几何尺寸较小、质量集中，对整体构造进行分析时，将附件等实体部件采取等效处理；对于变幅小车、吊钩因与吊重同步，能够将其质量与吊重一起作为起升载荷处理。1.3单元选择塔机是空间实体构造，选用三维有限元单元。根据现行的设计规范，塔机有限元计算中可采取BEAM4、BEAM44、BEAM188、BEAM189、LINK8、LINK10、SOLID65、MASS21等单元进行建模[3-4]。在比照实体单元计算模型〔模型庞大复杂、计算效率低、计算精度不易掌控〕并参考相关文献资料中关于塔机的建模方法后，采取梁单元〔BEAM188〕模仿塔机中的桁架构造，BEAM188为2节点3D梁单元，选用BEAM188进行模仿能够知足分析要求，而且BEAM188梁单元能够提供更出色的横截面数据定义功能和可视化特性。选择LINK8模仿平衡臂和起重臂拉杆。LINK8三维杆单元是有着广泛工程应用的杆单元，它能够用来模仿桁架、缆索、连杆、弹簧等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉杆单元，每个节点具有3个自在度，即沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。附件质量选择MASS21单元模仿。MASS21是ANSYS中提供的3D质量点单元，具有沿X、Y、Z向的平动及绕X、Y和Z轴迁移转变的6个自在度，质量单元在静态解中无任何效应，在计算中参加重力加速度才具有惯性荷载，可分别定义每个坐标系方向。1.4荷载处理塔机所蒙受的载荷重要有自重载荷、起升载荷、风载荷及惯性力等[5]。〔1〕自重载荷：塔机本身是金属构造，各工作机构和附属设备自重引起的重力载荷，是塔机最重要的载荷，分析中自重载荷通过MASS21质量单元、材料密度、重力加速度施加。〔2〕起升载荷：起升载荷包含吊重、吊钩、滑轮组及变幅小车重量等，在建立模型时能够通过添加质量单元的方法进行简化。〔3〕风载荷：风载荷处理为均布线载荷，受载部位包含塔身、平衡臂、平衡重、起重臂、变幅机构及回起色构。根据公式FW=CWPWA，其中PW为风压，CW为风力系数，取工作状况CW=1.3，A为迎风面积，分别取工作状况和非工作状况下的风荷载进行计算。2塔机模态分析塔机在工作当中需要经常启动、制动和复合运动，而在这些经过中塔机机构将蒙受强烈的冲击振动，当这种振动与塔机本身的固有频率一样时，就会发生共振现象，使振幅增大，在构造的内部产生很大的动应力，进而会使构造发生失稳毁坏，导致安全事故的发生。所以必需要对塔机进行动力学特性分析。而模态分析用来确定构造或构件的振动特性，即固有频率和振型。在蒙受动态载荷的构造设计中，它们是主要的参数。同时，模态分析也是其他动力学分析前期必需完成的环节。因而，在塔机构造设计中进行模态分析，确定塔机的振动特性是有需要的[6-8]。2.1模态分析结果由振动理论可知，对于一个多自在度振动系统，系统低阶固有频率对系统的动态响应影响较大，而高阶固有频率影响则相对较小。所以对于多自在度系统来说只需要其低阶固有频率就能反映系统的动态特性。前十阶模态频率如表1所示，可见塔式起重机的低频固有频率较多而且相距较近。塔机构造的部分模态振型如此图1～图3所示，塔机构造第1阶振型是塔身的扭转振动；第2阶振型是塔身前后摆动引起的吊臂点头运动；第3阶振型是塔身的侧向摆动；第16阶振型是塔机发生扭曲变形的运动。塔机整体模态计算结果显示，最基本的三个低频振动：俯仰、摇摆、迁移转变都会使塔身根部发生大的振动。3结