塔式起重机臂架的有限元分析

塔式起重机臂架的有限元分析

0塔机臂架的有限元分析塔式重型机器（以下简称塔机）是一种重要的制造机械。由于其工作效率高、使用范围广、回转头大、施工高度高、施工方便等优点，已成为施工中的主要树种之一。塔机臂架(即塔机的工作装置)是塔机的重要组成部分,它是靠电动机驱动来完成物料吊卸的空间桁架结构,其设计水平的高低直接影响整机的工作性能。塔机臂架作为塔机的工作装置,在塔机产品的设计内容中处于核心地位,但其传统的设计方法普遍是依据材料力学中的许用应力校核原理得出的,真正分析的对象仅仅是臂架结构的截面形状和面积等参数。由于受工作量限制,该方法只能验算几个在理论上认为是危险的截面,计算的精度从建模开始就受到限制,不仅工作量很大并且具有一定的盲目性,已不能适应由激烈市场竞争造成的最短周期产品设计的要求。伴随着计算机技术的进步,目前国内外先进的机械产品设计制造都离不开有限元分析(FiniteElementAnalysis,FEA)计算,在工程设计和分析中受到越来越广泛的重视,其计算结果不仅详尽,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法进行机械产品的设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计质量。设计者只需借助通用有限元软件建立模型并进行仿真分析,就能真实地反映机械产品的尺寸外形特征和工作过程,并进行各种类型的力学分析,尽早发现设计缺陷,从而有效地缩短研发周期,降低生产成本,使产品的结构和性能更加合理。本文应用有限元软件ANSYS对塔机臂架结构进行快速校核分析。1静态有限元分析塔机在工作过程中绝大部分的载荷来自自重和吊重的作用,还包括惯性载荷、风载荷等。但是无论这些外界载荷作用点在塔机的什么部位,最终都要传递给塔机钢结构,因此,钢结构的结构性能很大程度上决定了整机质量的好坏。作为工作装置的臂架钢结构更是如此,其结构强度等性能是塔机整体钢结构最为核心的内容。为了考察臂架钢结构有限元分析的效果,本文尝试对QTZ40塔机的臂架钢结构进行静态强度和模态特性分析。静态有限元分析是计算在固定不变的载荷作用下的结构响应,它不考虑惯性和阻尼的影响以及结构随时间变化的载荷情况,通过结合有限元理论,从静力学、几何学和物理学三方面对结构进行分析,计算节点在载荷作用下的应力、应变和位移,从而在塔机产品设计初期全面了解其在不同工况下的强度状况,确定应力、应变危险点,同时也能为塔机的结构优化设计进行分析指导。模态特性分析也是有限元分析中的重要内容,它主要用于确定结构或机器部件的振动特性,同时也是其他动力学分析的基础。传统方法对处于设计阶段的机械结构进行模态分析主要采用计算方法和模态参数识别实验法,以获得相应的模态参数。通常需求的模态参数包括固有频率、固有振型、模态质量、模态刚度和模态阻尼比等,其中最重要的是频率、振型和阻尼比。对于无阻尼系统需求的模态参数就是固有频率和振型,这两个参数对于识别和改善结构动态特性有着重要的意义,因为它表明着在哪几种频率下结构会产生共振以及在各阶频率下结构的相对变形。但是由于塔机臂架体积大、结构形式复杂,属于多自由度系统,而多自由度系统振动时,同时有多阶模态存在,每阶振动模态就要用一组模态参数来确定。故而采用传统方法对其进行模态分析具有一定难度。应用有限元分析的方法很好地解决了这一问题。2梁单元的建立以某厂生产的QTZ40塔机为例,笔者在有限元分析软件ANSYS中建立塔机臂架的有限元模型。建立的臂架金属结构采用普通碳素结构钢Q235,该材料的弹性模量由于塔机臂架的实际结构主要是由桁架焊接成的,且几何模型很复杂,结合其实际受力特点,有限元模型的单元类型选择弹性三维梁单元BEAM4。BEAM4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有六个自由度:在建模过程中,为了保证臂架模型的有效完整和实际的可操作性,笔者做了以下三点处理。1)臂架主弦杆和腹杆的每个连接点都根据实际尺寸建立了节点,另外每段臂节的连接点也建立了节点,保证有限元模型与塔机在几何上相同。2)对结果影响不大的局部结构(如钢丝绳、吊钩等)由于它们的质量与整个臂架相比显得很小,为建立模型方便可以不用考虑。3)臂架根部是通过销轴与塔机的回转节相连的,故在臂架起升平面可认为是固定铰支座;两个吊点位置是通过销轴将拉杆与臂架相连的,经过分析,可以看出拉杆对臂架的位移限制仅限于竖直方向,故吊点位置仅施加竖直方向的位移约束。在约束载荷施加于物理模型之后,完整的臂架模型就建好了,如图2所示,所有单元均视为弹性单元,不计结构阻尼。此模型具有134个节点数,365个梁杆单元数。3静力学性能分析静力学强度分析是任何机械产品结构设计分析的重要方面,其主要目的是要确定结构在静力条件下受指定载荷、温度和约束时的应力和位移分布。为了保证结构能正常工作,必须满足强度、刚度和稳定性等方面的要求。可以说,应力、应变分析是结构设计分析的基本内容,而臂架的静强度分析主要任务就是计算在固定不变载荷作用下结构的位移、应力、应变及反力等的大小,即讨论臂架结构受到外力后的变形、应力和应变,以便对其强度进行校核,保证结构既安全、正常工作,又符合经济性的要求。结合相关设计标准和工程经验,塔机臂架静强度分析计算时需要考虑的主要载荷如下。1重复使用臂架自身金属结构、各工作机构和附属设备自重引起的重力载荷,是臂架最主要的载荷。2提升负荷是起升质量即塔机总起重量的重力。考虑工况的不同,笔者施加的起升载荷也会不同。32损坏塔机或其起重小车运行时,由于轨道不平整而产生的冲击载荷以运行冲击系数乘以自重载荷和起升载荷加以考虑。这里取冲击系数为1.1。42工作状态的风负荷,其中,5臂架前端加载1t工况分析在高温或低温环境下需要加以考虑。根据QTZ40型塔机的工作特点,笔者在这里分五种工况进行模拟计算分析,分别是前端加载1t、外拉杆节点附近加载1.2t、两拉杆中间加载2.2t、内拉杆附近加载4t和最近端加载4t(图2中①～⑤)这五种不同工作情形。尽管工况不同,但分析的方法和过程都是一致的。限于篇幅,笔者以前端加载1t工况为例做简要介绍。此工况施加载荷后的计算结果如图3所示。计算中载荷施加情况和采用的单位如下。臂架前端施加的载荷简化为沿整体坐标系-定义一个沿着臂架模型重力方向(本文是沿整体坐标系-风载以面压力的形式加在臂架架体迎着风向的受力面上;根据理论计算分析,在塔机工作时,风侧向吹时最为不利,因此这里仅考虑侧向风载荷。本文中计算值单位:图3中的应力数值单位为MPa,变形数值单位为mm。通过对图3所示前端加载1t工况下计算总体应力图结果进行分析,其中最大应力为69.45MPa,小于角钢的许用应力,故臂架所受静强度低于材料的强度极限,满足设计时的性能要求。由此可见,根据实际所用的型材情况并结合空间桁架结构的受力特点,用不同截面的梁单元组来模拟塔机臂架整体结构,最终可以建立出合理的有限元模型。在这个模型的基础上,用不同的节点约束来简化模拟臂架工作时与塔机主体的连接情况,并施加完整的载荷进行静力学求解,可以很好地分析出臂架的整体应力分布等特性,从而可以在臂架初步设计时就对其受力特性进行合理的评定。4避免共振的特性塔机的臂架结构在工作时,由于起重小车运行时的轨道不平整、电动机的突然启动和停止以及风载等众多因素影响,不可避免地受到冲击动载荷的作用,这时结构将承受强烈的冲击振动,当这种振动与自身固有频率相等时,要发生共振现象,使振幅变大,在结构内部产生很大的动应力,从而破坏结构,严重危及到人身安全。因此在塔机产品的整体设计中,动态设计的要求越来越迫切。结构模态分析是结构动态设计的核心,在机械产品设计中研究结构振动问题的一个重要目的是避免共振。具体的机械结构可以看成是多自由度的振动系统,具有多个固有频率,在阻抗试验中表现为有多个共振区,在幅频特性曲线中表现为有多个峰值。这种在自由振动时结构所具有的基本振动特性就称之为结构模态。在对臂架结构进行模态分析时,由于求解的是其固有特性(固有频率和固有振型),与所受外力无关,故可忽略外部载荷的作用。笔者在所建立的ANSYS塔机臂架模型上,采用子空间方法(subspace)提取了臂架的前六阶模态,结果如图4所示。从计算的各阶振型来看,臂架的二阶及五阶振型都表现为臂架扭转,整个臂架绕主参考坐标系得出臂架的各阶模态有很大的现实意义,既可以用其指导塔机产品的设计,也可以对设计结果予以检验。例如,一般塔机的风载频率在0.25Hz左右变化,与臂架的前几阶振型固有频率有可能相近,如果这样会引起塔身的扭转共振,所以在设计时,设计人员必须努力避开这个频率。本文的研究对象很好地做到了这一点。塔机的顶升机构、回转机构、变幅机构以及起升机构各个电动机的振动激励频率也是必须要考虑的重要因素,设计人员应当认真地与有限元分析得出的结果进行比对,使得这些电动机的激励频率远离塔机各主要部件的固有频率,以免共振现象的出现,产生设计缺陷。由臂架的固有频率和外激励频率可知,其前四阶频率及主振型可以很好地描述臂架结构的振动特性,所以可以得出结论:对塔机臂架的模态分析,只需要侧重于对前四阶固有频率及主振型的计算就可以有效地指导产品设计。5静力与模态特性本文运用ANSYS软件对某厂生产的QTZ