1、第30卷第2期2009年2月煤礦機(jī)械CoalM ine MachineryFeb.2009塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的有限元分析王仿,高頂(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,江蘇徐州221008摘要:根據(jù)塔式起重機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu),利用ANSYS對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和分析。在建模過(guò)程中,對(duì)塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化、單元的選擇、載荷的施加等進(jìn)行探討和分析,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)有限元分析,其結(jié)果對(duì)塔式起重機(jī)的后續(xù)分析有重要意義。關(guān)鍵詞:塔式起重機(jī);靜態(tài)分析;有限元分析中圖分類號(hào):T H213;O242.21文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1003-0794(200902-0096-02 St ati c Fi n ite Ele

2、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 FE A packa

3、ge.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 op ti m ize

4、d design in the future.Key words:t o wer crane;static analysis;finite ele ment1有限元模型的創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的有限元分析,其力學(xué)模型正確與否直接影響到分析的結(jié)果。有限元模型的建立過(guò)程就是合理地并在一定控制精度內(nèi)簡(jiǎn)化模擬仿真真實(shí)結(jié)構(gòu)。對(duì)于不同的分析目的就會(huì)存在不同的模型化方法。可以把“不同的分析目的”用“視點(diǎn)的變化”來(lái)表現(xiàn),在分析結(jié)構(gòu)整體變化時(shí)的情況把視點(diǎn)放置于遠(yuǎn)方的場(chǎng)合,在分析結(jié)構(gòu)局部變化時(shí)的情況把視點(diǎn)放置于拉近時(shí)的場(chǎng)合。本文主要分析結(jié)構(gòu)整體的變化,所以把視點(diǎn)放置于稍微遠(yuǎn)的地方,看到的塔式起重機(jī)就是由許多細(xì)長(zhǎng)的構(gòu)件組合而成的

5、框架結(jié)構(gòu)。(1結(jié)構(gòu)分析的簡(jiǎn)化由于回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實(shí)體部件相對(duì)塔機(jī)整體結(jié)構(gòu)而言幾何尺寸較小,而剛度較大、質(zhì)量較為集中,當(dāng)對(duì)塔機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時(shí),可以將回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)等實(shí)體部件采用梁桿單元進(jìn)行等效,使塔機(jī)的整體分析中只包含梁?jiǎn)卧?避免了具有不同結(jié)點(diǎn)自由度的梁?jiǎn)卧桶鍤卧穆?lián)接問(wèn)題。另外,一般塔機(jī)都具有幾百甚至幾千根桿件,其輸入數(shù)據(jù)文件已經(jīng)很大,如果再同時(shí)分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的板殼結(jié)構(gòu),更將大大增大數(shù)據(jù)文件,甚至超出了計(jì)算機(jī)的工作能力。在做完整體分析之后,再將整體分析中得到的等效單元的結(jié)點(diǎn)力作為外載荷,采用板殼單元單獨(dú)分析回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定,塔機(jī)必須工作在材料彈性范圍內(nèi),且對(duì)一般的中小型塔機(jī)的分析

6、不必考慮非線性因素,因此本文只討論線性分析。(2選擇單元類型具體選用某種單元,應(yīng)力求反映其結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性為前提下,盡可能選用簡(jiǎn)單的單元,使得模型既合理, 又節(jié)約計(jì)算時(shí)間。由于是分析結(jié)構(gòu)整體的變化,所以選用bea m4單元。此單元是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有6個(gè)自由度:x、y、z三個(gè)方向的線位移和繞x、y、z三個(gè)軸的角位移。將塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為357個(gè)節(jié)點(diǎn),491個(gè)梁?jiǎn)卧D1即為塔式起重機(jī)的有限元模型。圖1塔式起重機(jī)的有限元模型(3定義材料屬性塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)主要采用Q235A碳鋼,彈性模量為212GPa,泊松比為0.288,密度為7.86×1

7、03 kg/m3。2邊界條件進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí),模型的約束方式必須滿足的條件是:保證結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生剛體位移,也就是說(shuō)必須有足夠的自由度約束,以保證結(jié)構(gòu)的剛度矩陣為滿第30卷第2期塔式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)的有限元分析王仿,等Vol .30No .2秩矩陣,從而使整體剛度方程有唯一解。塔式起重機(jī)主要承受的載荷:(1塔式起重機(jī)自重以重力加速度的方式加到每個(gè)單元上。(2在塔臂配重端施加的配重以集中載荷的方式加到配重端的節(jié)點(diǎn)上。(3在塔臂最前端承受的吊重以集中載荷的方式加到前端的節(jié)點(diǎn)上。(4固定塔身底部約束塔身底部的4個(gè)結(jié)點(diǎn)的所有自由度。在本次分析中忽略其他作用力對(duì)塔式起重機(jī)的影響。3結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果由于直接在AN

8、SYS 里建立的有限元模型,模型里的單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)目相對(duì)實(shí)體模型來(lái)說(shuō)都很少,其計(jì)算過(guò)程很簡(jiǎn)單,不會(huì)花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間在求解過(guò)程。求解完成以后,分別對(duì)該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度分析如下(1強(qiáng)度分析 根據(jù)強(qiáng)度理論,結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度,以保證在規(guī)定的使用條件下不發(fā)生意外斷裂或顯著塑性變形,所以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析是必要的。該結(jié)構(gòu)使用的材料為塑性材料,對(duì)于塑性材料,其屈服應(yīng)力s 小于強(qiáng)度極限,故通常以屈服應(yīng)力作為極限應(yīng)力。Q235A 碳鋼的屈服應(yīng)力值為235MPa,按屈服應(yīng)力所規(guī)定的安全因素n s ,通常取n s =1.52.2,在這取n s =2。可得許用應(yīng)力=s /n s =117.5MPa由于該結(jié)構(gòu)處于多向應(yīng)力

9、狀態(tài),所以選用第4強(qiáng)度理論即畸變能理論對(duì)輸料架強(qiáng)度進(jìn)行分析。該理論的強(qiáng)度條件為r4=(1-22+(2-32+(3-12式中1第1主應(yīng)力;2第2主應(yīng)力;3第3主應(yīng)力;r4第4強(qiáng)度理論的等效應(yīng)力。根據(jù)ANSYS 的計(jì)算結(jié)果,最大等效應(yīng)力即相當(dāng)應(yīng)力值為78.418MPa,位置如圖2中所示。 圖2等效應(yīng)力云圖r4=78.418MPa =117.5MPa,可知該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足要求,儲(chǔ)備較大。從圖2中可以看出最大應(yīng)力發(fā)生在塔式起重機(jī)立著的部分,為了使結(jié)構(gòu)更為合理,可以對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。對(duì)于塔式起重機(jī)這類超靜定結(jié)構(gòu),切不可在缺少理論根據(jù)的前提下,采取簡(jiǎn)單辦法去盲目地局部加強(qiáng)、加固,以免造成超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力的

10、重新分配而形成新的危險(xiǎn)區(qū)域。即使是局部焊補(bǔ)加固,也需要在一定的理論分析的基礎(chǔ)下選擇合適的部位,以免造成只降低了最大應(yīng)力而沒(méi)有改善應(yīng)力集中的情況,實(shí)際的隱患并沒(méi)有消除。(2剛度分析在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外,具有足夠的剛度也非常重要。將塔式起重機(jī)看作為外伸梁,對(duì)于梁的剛度條件為要求梁的最大撓度與最大轉(zhuǎn)角分別不超過(guò)各自的許用值。在此考慮最大撓度|w |max ,為許用撓度。根據(jù)ANSYS 計(jì)算結(jié)果如圖3,剛度滿足要求。圖3位移云圖4結(jié)語(yǔ)(1由以上分析,可以清楚地看到塔機(jī)所受到的最大、最小應(yīng)力和結(jié)構(gòu)變形情況,從而找出其危險(xiǎn)點(diǎn),為進(jìn)一步改進(jìn)結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。(2有限元分析法是結(jié)構(gòu)分析的快速有效的方法,特別是有限元分析軟件的應(yīng)用使復(fù)雜工程問(wèn)題求解變得簡(jiǎn)單。(3分析中仍然存在不足之處:對(duì)結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化相對(duì)粗糙;忽略了部分載荷對(duì)輸料架的靜態(tài)特性的影響。在以后的工作中可以對(duì)這方面進(jìn)一步深化;有待進(jìn)一步分析隨機(jī)載荷下的應(yīng)力響應(yīng)。參考文獻(xiàn):1顧力強(qiáng),林忠欽.FYC6100大客車車身結(jié)構(gòu)有限元分析J .機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1998