塔式起重机整体结构的有限元分析

1、第30卷第2期2009年2月煤矿机械CoalM ine MachineryVol.30No.2Feb.2009塔式起重机整体结构的有限元分析王仿,高顶(中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221008摘要:根据塔式起重机的实际结构,利用ANSYS对其整体结构进行建模和分析。在建模过程中,对塔式起重机结构的简化、单元的选择、载荷的施加等进行探讨和分析,并在此基础上进行静态有限元分析,其结果对塔式起重机的后续分析有重要意义。关键词:塔式起重机;静态分析;有限元分析中图分类号:T H213;O242.21文献标志码:A文章编号:1003-0794(200902-0096-02 St ati c Fi

2、n ite Ele ment Analysis of W hole Structure of Tower CraneW ANG Fang,GAO D i n g(College of Mechanical and Electrical Engineering,China University of M ining andTechnol ogy,Xuzhou221008,ChinaAbstract:Based on the real structure of the t ower crane,the ansysis has been carried out by ANSYS,a general

3、FE A package.W hen the s olid model was created,the si m p lificati on of the structure of the t ower crane,the selecti on of the ele ment and the l oad of the l oads are discussed and analysed.And static finite ele ment analysis of t ower crane is done based on it.Further more,it is valuable f or o

4、p ti m ized design in the future.Key words:t o wer crane;static analysis;finite ele ment1有限元模型的创建结构的有限元分析,其力学模型正确与否直接影响到分析的结果。有限元模型的建立过程就是合理地并在一定控制精度内简化模拟仿真真实结构。对于不同的分析目的就会存在不同的模型化方法。可以把“不同的分析目的”用“视点的变化”来表现,在分析结构整体变化时的情况把视点放置于远方的场合,在分析结构局部变化时的情况把视点放置于拉近时的场合。本文主要分析结构整体的变化,所以把视点放置于稍微远的地方,看到的塔式起重机就是由许多

5、细长的构件组合而成的框架结构。(1结构分析的简化由于回转支承结构等实体部件相对塔机整体结构而言几何尺寸较小,而刚度较大、质量较为集中,当对塔机结构进行整体分析时,可以将回转支承结构等实体部件采用梁杆单元进行等效,使塔机的整体分析中只包含梁单元,避免了具有不同结点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题。另外,一般塔机都具有几百甚至几千根杆件,其输入数据文件已经很大,如果再同时分析回转机构的板壳结构,更将大大增大数据文件,甚至超出了计算机的工作能力。在做完整体分析之后,再将整体分析中得到的等效单元的结点力作为外载荷,采用板壳单元单独分析回转机构。根据设计规范的规定,塔机必须工作在材料弹性范围内,且对一

6、般的中小型塔机的分析不必考虑非线性因素,因此本文只讨论线性分析。(2选择单元类型具体选用某种单元,应力求反映其结构的力学特性为前提下,尽可能选用简单的单元,使得模型既合理, 又节约计算时间。由于是分析结构整体的变化,所以选用bea m4单元。此单元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6个自由度:x、y、z三个方向的线位移和绕x、y、z三个轴的角位移。将塔式起重机结构简化为357个节点,491个梁单元。图1即为塔式起重机的有限元模型。图1塔式起重机的有限元模型(3定义材料属性塔式起重机结构主要采用Q235A碳钢,弹性模量为212GPa,泊松比为0.288,密度为7

7、.86×103 kg/m3。2边界条件进行有限元计算时,模型的约束方式必须满足的条件是:保证结构不产生刚体位移,也就是说必须有足够的自由度约束,以保证结构的刚度矩阵为满第30卷第2期塔式起重机整体结构的有限元分析王仿,等Vol .30No .2秩矩阵,从而使整体刚度方程有唯一解。塔式起重机主要承受的载荷:(1塔式起重机自重以重力加速度的方式加到每个单元上。(2在塔臂配重端施加的配重以集中载荷的方式加到配重端的节点上。(3在塔臂最前端承受的吊重以集中载荷的方式加到前端的节点上。(4固定塔身底部约束塔身底部的4个结点的所有自由度。在本次分析中忽略其他作用力对塔式起重机的影响。3结构静力分

8、析结果由于直接在ANSYS 里建立的有限元模型,模型里的单元和节点数目相对实体模型来说都很少,其计算过程很简单,不会花费很长时间在求解过程。求解完成以后,分别对该结构的强度和刚度分析如下(1强度分析 根据强度理论,结构应具有足够的强度,以保证在规定的使用条件下不发生意外断裂或显著塑性变形,所以对结构进行强度分析是必要的。该结构使用的材料为塑性材料,对于塑性材料,其屈服应力s 小于强度极限,故通常以屈服应力作为极限应力。Q235A 碳钢的屈服应力值为235MPa,按屈服应力所规定的安全因素n s ,通常取n s =1.52.2,在这取n s =2。可得许用应力=s /n s =117.5MPa由

9、于该结构处于多向应力状态,所以选用第4强度理论即畸变能理论对输料架强度进行分析。该理论的强度条件为r4=(1-22+(2-32+(3-12式中1第1主应力;2第2主应力;3第3主应力;r4第4强度理论的等效应力。根据ANSYS 的计算结果,最大等效应力即相当应力值为78.418MPa,位置如图2中所示。 图2等效应力云图r4=78.418MPa =117.5MPa,可知该结构的强度满足要求,储备较大。从图2中可以看出最大应力发生在塔式起重机立着的部分,为了使结构更为合理,可以对局部结构进行修改。对于塔式起重机这类超静定结构,切不可在缺少理论根据的前提下,采取简单办法去盲目地局部加强、加固,以免

10、造成超静定结构内力的重新分配而形成新的危险区域。即使是局部焊补加固,也需要在一定的理论分析的基础下选择合适的部位,以免造成只降低了最大应力而没有改善应力集中的情况,实际的隐患并没有消除。(2刚度分析在结构设计中,除应满足强度要求外,具有足够的刚度也非常重要。将塔式起重机看作为外伸梁,对于梁的刚度条件为要求梁的最大挠度与最大转角分别不超过各自的许用值。在此考虑最大挠度|w |max ,为许用挠度。根据ANSYS 计算结果如图3,刚度满足要求。图3位移云图4结语(1由以上分析,可以清楚地看到塔机所受到的最大、最小应力和结构变形情况,从而找出其危险点,为进一步改进结构提供了理论依据。(2有限元分析法是结构分析的快速有效的方法,特别是有限元分析软件的应用使复杂工程问题求解变得简单。(3分析中仍然存在不足之处:对结构模型的简化相对粗糙;忽略了部分载荷对输料架的静态特性的影响。在以后的工作中可以对这方面进一步深化;有待进一步分析随机载荷下的应力响应。参考文献:1顾力强,林忠钦.FYC6100大客车车身结构有限元分析J .机械设计与研究,1998