基于ANSYS的塔式起重机起重臂动力学分析

1、基于 ansys 的塔式起重机起重臂动力学分析李娟娟 ， 费 烨， 谢正义（沈 阳建筑大学 交通与机械工程学院 ， 辽 宁 沈 阳 110168）摘 要 ： 基 于 ansys 对某塔式起重 机 起重臂进行有 限 元 建 模 ， 通过瞬态动力学的求解 ， 对塔机在工况水 平变幅及 载荷起升瞬间对起重 臂 结构的动态冲 击 作 了 探讨 和 分 析 ， 模拟塔机在变 幅及起升过程中 的 情 况 ， 获 得了载荷冲击对起重 臂 结构应力情况 ， 进而分析 塔机起重臂结构在动态 冲 击中 的 影 响 ， 为塔机设计 及操作施工等提供了 参 考 。关 键 词 ： ansys； 塔 式 起 重 机 ；

2、动 力 学 分 析中 图 分 类 号 ： tp317文 献 标 识 码 ： adoi:10.3969/ j.issn.1002-6673.2009.03.048整 体而言几何尺寸较小 、 刚 度 大 、 质 量 集 中 ， 对 塔 机 结构 整 体 分 析 时 ， 将 回 转 结 构 等 实 体 部件采用等效 处 理 ， 减 少塔机整体分析中的 单 元种类 ， 方 便 进 行 后 处 理 。 在 完成整体分析后 ， 将分 析中得到的等效单元 的 结点 力 作 为 外 载 荷 ， 再 单 独 分 析 回 转 结 构 ； 塔 机 附 件 由 于 相 对 塔机整体结 构而言几何尺寸小 、 质 量 集

3、 中 ， 对 整 体 结 构 进 行 分 析 时 ， 将附件等实体部件 采 用等效 处 理 ； 对 于 变 幅 钢 丝 绳 ， 分 布 比 较 均 匀 ， 可 通 过 改 变 相应杆件的密度 来 添 加 其 质 量 。 变 幅 小 车 、 吊 钩 因 与 吊 重 同 步 ， 可 将 其 质 量及吊重一起作为起 升 载荷处理 ， 根 据 圣 维 南 原 理 ， 这种处理仅影响附件 、 吊 钩及变幅小车作用 点 附近 的 局 部应力大小及 分 布 ， 而对塔机整体应力 变 化及 分 布 无 大 的 影 响 。（2） 单 元 的 选 择 。 由 于 塔 机 是 空 间 结 构 ， ansys 中 选

4、 用 三 维 的 有 限 元 单 元 。 三 维 梁 单 元 有 beam4、0 引言塔 式 起 重 机 （简 称 塔 机 ） 作为 现代施工中的关键起 重 设 备 ， 金 属 结 构 作 为 塔 机 的 主 要 骨 架 ， 其 结 构 强 度 和 刚度决定着塔机的工作 可靠性和安全性 。 随 着 高 层 建 筑 结 构 的 增 多 ， 塔 机 的 满 载 率 加 大 ， 工 作 繁 忙 程 度 加 重 ， 有些塔机大部 份 工 作 时间已在高应力 水 平下运行 ， 特 别 是塔机在满 载起升及满载 变幅等动 态冲击载荷对塔机结 构 产生的应力冲击 影 响 ， 是 塔机在工作中结构破坏 主 要

5、 原 因 之 一 ， 因 此 ， 对其进 行结构静态和动态分 析 是塔机 设计中一项极为 重 要的 工 作 。 由 于 在 工 程 试 验 及 检 测 中 多 采 用 过 载 方 式 进 行 加 载 ， 从静力学 的角度考虑塔机结 构 的 动 态 效 果 ， 为 了更好地对当 前塔机结构在工作情况 下的动态响应情况进 行 分析 ， 本文利用瞬态动力 学 的方 法 ， 基 于 ansys 对 塔 机 起重 臂进行动力学求解 ， 分 析 塔机在载荷动态冲击 下起 重臂的结构动态响应 ， 为 塔 机 的开发设计和施 工 安全提供参考 。beam44、 beam188 和 beam189 等 ，这 些

6、 单 元 各 具 特点 ， 可 以满足不同的分析要求 。 根据塔机结构的特征 ，对 于 塔 身 、 平衡臂及起重 臂 主要杆件处 理 为 梁 单 元 ， 选 择 beam188 单 元 进 行 模 拟 即 可 满 足 分 析 要 求 。 beam188 单 元 建 立 在 timoshenko 梁分析理论基 础 上 ， 保持梁 的主要特征即近似描 述 三维实体结构的 一 维 构件 的 特 点 外 ， 增 强 了 其 横 截 面 定 义 功 能 ， 改 进 了 梁 构 件 另 外两位的可视化 特 性 。 考虑了剪切变形 影 响 ， 在 单 元 插 值 函 数 中 ， 挠 度 和 截 面 转 动

7、进 行 各 自 独 立 插 值 ， beam188 为 线 性 梁 单 元 ， 具有 更强的非线性 分 析 功 能 。 起重臂拉索和平衡臂拉 索 主要承受拉力 ， 在 有 限 元 分 析 中 可 选 择 三 维 桁 架 单 元 link8 （structural link 3d spar 8）1 有限元模型的建立（1） 结 构 简 化 及 假 设 根 据 gb/t13752-92 塔 式 起 重 机 设 计 规 范 的 规 定 ， 塔机必须工作在材料 弹 性 范 围 内 ， 故 本 文 在 建 模 、 加载及求解过程中只考 虑 弹性 情 况 ， 而 不 考 虑 材 料 塑 性 的 影 响 。为

8、 了 塔 机 建 模 更 为 合 理 ， 有 限元建模时根据实际情 况进行必要简化 ： 由于 回转结构等实体部件相 对 塔机 2 。收 稿 日 期 ： 20090226基 金 项 目 ： 建 设 部 项 目 （06-k8-8）； 辽宁省省级重点实验室开 放 基 金 （jx200701）作 者 简 介 ： 李 娟 娟 （1982- ） ， 女 ， 辽 宁 人 ， 在 读 硕 士 研 究 生 。 主 要 研 究 方 向 ： 机械设计及理论 。进 行 模 拟 。三 维 杆 单 元 link8 是 2 节 点 3 自 由 度 的 轴 向拉 伸 压 缩 杆 件 单 元 ， 主 要 用 于 模 拟 两 端

9、 结 点 铰 接 的 空间 杆 件 ， 不考虑杆件的 弯曲及扭转变形 。112制 造 业 信 息 化回 转平台属于板壳结构 ， 回 转支撑属于三维实体结 构 ， 由于相对塔机整体 结 构而言几何尺寸较小 ， 而 刚 度 大 且 质 量 集 中 ， 对塔机 结构进行整体分析时 ， 将 回 转 支 承 采 用 梁 单 元 进 行 等 效 ， 避免了梁单元与 板 壳单元不同 自 由 度 产 生 的 连 接 问 题 ， 对应内塔节 的四个主肢节点定 义 为 3d 的 mass21 质 量 单 元 。 该 单 元 是 具 有 6 个 自 由 度的质量点单元 ， 能体现三维的质量集中 。 平 衡 重 、

10、起 升 、变 幅 机 构等作 为塔机的集中质量 ，同 理 将 对 应 位 置 的 节 点 定 义 为 3dmass21质 量 单 元 。（ 3） 建 立 有 限 元 模 型 。 根 据 设 计 要 求 定 义 塔 机 各 结 构 的 截 面 参 数 ， 将 每 根 杆 件 相 交 的 点 处 理 为 节 点 ， 采 用 直 接 法 和间接法相结合 的 建 模 方 法 建 立 有 限 元 模 型 ，如 图 1 所 示 。间 为 1/6s。 根据塔机的起升特性 曲线和实际的工作情 况 ， 吊钩以及变幅小车的 质 量加在起吊物体的质量 ， 各 加载工况下瞬态冲击 的 作用力如表 1 所 示 。表 1

11、 几种工况下瞬态冲击的作用力tab.1 force of trans ie nt im pact unde r s om e kind condition基 于 上 述 工 作 ， 对塔机有限 元模型进行瞬态动力学 求 解 ， 对塔机起升载荷 冲 击求解 。 塔机起升载荷对 结 构 的冲击应力及相应 动 载系数如表 2 所 示 。 在 工 况 1 情 况 下瞬态冲击如图 2 所 示 ， 在 70m 臂 端 的 满 载 起 升 冲 击 对 塔机的影响还是很大的 ， 最 大 变 形 为 1.8m 发 生 在 起 重 臂 的 臂 端 ， 应力最大的点 在前拉索与上弦杆的 交 点向臂 端 ， 最 大

12、应 力 为 201.9mpa， 而 前拉索下的下弦杆都 受 压 应 力 ， 为 173.9mpa。 塔机在臂端起吊 重 物时其结构属于 悬 臂 梁 ， 上弦杆的拉应力 特 别大 ， 而下弦杆的压应 力 比 其 他 各处的应力要大 。 不 同 的 工 况 下 ， 由 于 受 力 状 态 的 改 变 ， 塔机各部分的 应力值都发生了变化 。 工 况 2 和 工 况 3 时受力较大是 后拉索和下弦杆 。表 2 起升载荷对结构的冲击应力及相应动载系数tab.2 im pact s tre s s and corre s ponding dynam ic load coe fficie nt for l

13、ifting load to the jib s tructure边界条件处理2根 据上述结构简化及假设 ， 塔身与地基用地脚螺栓 相 连 ， 认为在底部能承 受 弯矩 ，约 束 4 个 节 点 的 6 个 自由 度 ； 塔身节之间的销轴 连 接可视为刚性连接 ； 吊 臂 根部 通 过 销 轴 与 回 转 台 相 连 ， 故在臂架起升平面 可 认为是 铰 支 座 ； 吊臂和平 衡臂拉杆吊点两端分 别 固接在塔顶和 对 应 吊 点 处 ； 由于塔身的刚度很大 ， 上 部 弯 矩 小 ， 故 可 把 塔 顶 与 上 回 转支座的连接及 下 回转支座与塔身的连接 同 样视为刚性连接 。 内塔节 和塔

14、身节相连处 （即 变 截 面 处 ） 采 用 耦 合 处 理 ， 约束其 对应节点的六个自由度 ； 在吊臂根部与转台 相连 处也采用耦合处理 ，动 自 由 度 ， 以反映起 重臂真实连接情况 。仅 释 放 z 向 转塔 机设计计算时需要考 虑 的载荷有自重载荷 、 起 升载 荷 、 风载荷以及回转 惯 性载荷等 ， 本文主要对塔 机 在0方向起升平面内动 态 冲击求解分析 ，自 重 载 荷 是 塔 机各组成部分的 重 力 ， 集 中 质 量 利 用 mass21 单 元 进 行 模拟 ， 而梁杆结构的质 量 通过设定材料密度确定 ； 起 升 载 荷 通 过 变 幅小车的 行走轮作用在吊臂的 下

15、 弦杆上 ， 根 据 上 述 简 化 及 假 设 ， 起升载荷可用集 中 力来模拟 。 变 幅 小 车 、 吊钩滑 轮组与吊重一起作为 起 升载荷施加 。 将 风 载荷 转 化 为 ansys 中的方向加速度在 模 型中添加 。由 于 塔 机的起升载荷动 载 冲击通常是考虑静载 乘 以动 载 系 数 ， 根 据 起 重 机 设 计 规 范 ， 动 载 系 数 取 1.25。 从 表 2 中 可 以 看 出 ， 结 构 有些位 置的动载系数大于 1.25， 这 比 保 守 的静态试验来检 验 塔机要合理 ， 更 容 易 把 握 危 险 点 、 危 险 截 面 ； 同 时 ， 在施 工过程中应尽量

16、避免 大 载 荷 的 动 态 冲 击 。塔 机在工作时经常是满 载 运行 ， 塔 机 起 重 臂 较 长 ，3 瞬态动力学计算塔 机 工 作 幅 度 为 3.970m， 起 升 重 量 为 520t。由于塔机起升瞬间 产 生的冲击载荷对结构的 冲 击 影 响 很大 ，载 荷 起 升 冲 击 时 间 在 0.10.2s 内 ，本 文 设 定 起 升 时113工 作 情 况70m， 5t36m， 12t22m， 20t最 大 应 力（mpa）最 小 应 力（mpa）变 形（m）最 大 应 力（mpa）最 小 应 力（mpa）变 形（m）最 大 应 力（mpa）最 小 应 力（mpa）变 形（m）静

17、 态154.02-130.881.416111.56-110.691.116112.90-101.981.138动 态冲 击201.90-173.921.887131.27-137.861.592129.32-141.421.542动 载系 数1.311.321.331.181.241.421.141.381.35工 况距回转中心距离 （m）起 重 量（t）作用于塔机的等效力 （n）工 况 1705f0= （5+1.5）9810=63765工 况 23612f0= （12+1.5）9810=132435工 况 32220f0= （20+1.5）9810=210915制 造 业 信 息 化变 幅

18、小车运行引起的冲 击 载荷对结构 存 在 影 响 。 满 载时 ， 塔 机各危险部分 结 构应力较大 ， 对 起 重 臂 结 构 破 坏 有 着 不 可 忽 视 的 影 响 。 设计人员必须要考 虑 塔机满载时 变 幅 引 起 的 冲 击 对塔式起重机起重 臂 的冲击以及各部分 的 应 力 ， 本文进行塔机满载 变 幅动态分析 ， 选 择 塔 机 运 行 3s 的 冲 击 进 行 求 解 ， 分析塔 机起重臂的动态冲击效 果 。 计 算 结 果 如 表 3 所 示 ， 75m5t 臂 端 y 方 向 位 移 变 化 曲 线 如 图 3 所 示 ， 36m12t 臂 端 y 方 向 位 移 变

19、化 曲 线 如表 3 塔机满载变幅的应力、应变及变形tab.3 full load am plitude s tre s s , s train and dis tortion of tow e r crane起 升瞬间的应力 为 最 大 值 ， 达 到 了 192.8mpa， 变 形 为1.5m。 到 第 2s 时 ， 应 力 变 为 171mpa， 其 变 形 达 到 了1.99m。 随 着变幅小车从臂端向回 转 中心运行 ， 变 形 逐 渐 减 小 ， 应力也逐渐减小 。 在 此 期 间 ， 起 重 臂 的 变 形 随 时 间 的 变 化 而 波 动 ， 满载变幅时 起重臂所受到的的冲击

20、 载 荷 在 第 1 秒时对结构冲 击而产生的应力最大 ， 但 此 时 的变形不是最大 。 在 第 2 秒时虽然应力值有所 减 小 ， 但 此时的变形最大 。 因 此 ， 在 塔 机 施 工 中 ， 满 载 运 行 时 ， 应 控 制 变 幅 小 车 的 运 行 速 度 ， 避免因运行过 程 中突然起 制动而导致的 结 构变形和破坏 。结束语4本文利 用 ansys 建立了塔机有 限元模型 ， 分 析 了 塔机 在 工 况 水平变幅及载荷起 升 瞬间对起重臂结构的动态 冲 击 ，模 拟塔机在变幅 及 起升过程中的情况 ，获 得 了 载 荷 冲击对起重臂结构的影响及应力情况 ，塔 机的 起 升

21、载 荷 动 载冲击结构有些位置的动载系 数较大 ，在施工过程中应尽 量 避 免 大载荷的瞬间起 升 和制动动态冲击 ；同 时 ，在 塔 机 满 载 变 幅 运 行 时 ，应 控制变幅小车的运行速度 ，避 免 因 运 行过程中突然起制动而导致的结构变形和破坏的发生 。参 考 文 献 ：1 gb/t 13752-92，塔式起重机设计规范s.2 郑 夕 健 ，谢 正 义.有限元单元在塔机分析中的应用j. 建 筑 机 械 化,2007,2.3 徐 树 东 . 塔式起重机结构分析中有限元技术 的 应 用 j. 建 筑 机 械 化,2006,3.4 刘 佩 衡塔式起重机使用手册m北 京 ：机械工业出版社

22、，2002.图 4 所 示 。 从 表 3 及 图 3、 4 可 以 看 出 ，在 工 况 1 时 ，dynamic analysis of tower crane jib based on ansysli juan-juan， fei ye， xie zheng-yi（school of traffic & mechanical engineering ， shenyang jianzhu university ， shenyang liaoning 110168， china）abstract: this article set up the finite element model of

23、 tower crane based on ansys, through the transient dynamics solution, the hori - zontal variable amplitude load and the instantaneous lifting load for the structure dynamic impact of tower crane jib are studied and analyzed, the variable amplitude and lifting process situation of tower crane are sim

24、ulated, the stress situation of jib are obtained, then the load dynamic impact influence of jib structure is analyzed, these results can have provided the reference for the tower crane design and operation.key words: ansys； tower crane； dynamic analysis4 董 洪 智,林 忠 钦,陈 关 龙. 车身覆盖件冲压仿真结果对比分析j.汽车 工 程,20

25、00,3.5 孙 惠 学,等.奥迪轿车外门板拉深成形数值模拟研究j.秦 皇 岛 ：板 材冲压理论及先进技术研讨会论文集,2000,8.（上 接 第 97 页 ）3 h. yao, c. -c. chen; s. -d. liu; k. p. li, c. du; l. zhang lami -nated steel forming modeling techniques and experimental verifi -cationsj. sae international,2003,1.analysis about the punching process to sheathings of the automobile body by means of computershua jian， zhang bin（college