SAP84在塔式起重机金属结构计算中的应用

2010-02-13蒙志谋

装备制造技术 2010年3期

蒙志谋

（南宁市质量技术监督局，广西南宁530022）

金属结构是塔式起重机主要结构，其强度、刚度和稳定性，决定着塔式起重机的经济性和整体可靠性。塔式起重机金属结构的设计计算，传统上由空间结构简化为几个平面结构分别计算；有时为简化计算，则直接简化为桁架结构后，由人工计算，然后再将计算结果叠加[1]。由于人工分析计算工作量大，且存在较大计算误差，因此金属结构设计计算一直是塔式起重机金属结构设计中的重点和难点。随着工程技术的不断进步发展，对塔式起重机的整体性能要求越来越高，金属结构设计计算需要对结构的静、动强度等技术参数，进行分析计算。这就要求在产品的设计阶段，就要精确地预测出产品的技术性能、强度、寿命、成本等。计算机技术的发展，为解决这些问题提供了可能。计算机技术可以确定金属结构因外载引起的应力和应变，可以用于静强度校核、耐久性分析、材料优化选择等。现结合SAP84在平头塔式起重机开发中的应用实践，介绍其在结构计算中的应用。

1 结构力学处理

塔式起重机金属结构，绝大部分为杆系结构，可选杆单元和梁单元，为简化计算，在有限元计算时大部分杆件采用梁单元。为简化问题，对局部为板结构的金属结构采用特殊单元处理，忽略板结构的位移变形，用若干刚性单元模拟其位置联接关系，作全钢架处理。所以，建模时回转支承部分简化为直接连接，并将此处梁板组合结构简化为梁结构。这些局部非梁结构在以后计算时，可作为板、壳、梁混合结构，由反力计算结果单独分析，也可用ANSYS或其他有针对性的有限元软件单独分析。对回转支承部分的额外自重，用集中等效结点力代替，同时可适当考虑钢丝绳力对结构局部的影响，可将其作为局部结构内力加入。

2 力学模型的建立

为真实准确地模拟塔式起重机金属结构各构件间的关系，在这里运用SAP84有限元的三维建模功能，直接建立塔式起重机整机结构的三维元模型，无需人工解析结构各构件间的内在联系。塔式起重机塔身，主要由角钢拼焊的桁架结构联接而成，其结构单一，而且角钢的截面特征相对统一，故可采用梁单元生成有限元分析模型。在建模前，首先要选择单位制、自重方向、钢材截面特性等，然后创建节点，并在节点的基础上建立单元。在SAP84中有标准的型钢截面库，我们可直接指定相应钢材的截面及钢号给相应单元，也可自己设定。由于塔式起重机标准节结构形状一致，在标准节建模时，要注意塔身截面的空间方向，并按实际空间方向进行必要的调整，如果出错，就会使计算结果出错。建模时，要充分利用SAP84的螺旋拷贝、复制、旋转等功能。因此，我们只要建立一节标准的有限元模型，然后利用复制等功能，就可建立其他标准节模型了。在起重臂及平衡臂建模时，由于起重臂及平衡臂结构形状的不一致性，可从根部开始创建的节点，在确定了单元空间位置和材料物理属性后，再生成所有单元。在对起重臂及平衡臂建模时，要注意其结构的变化规律，对结构形状一致部分，也要充分地利用复制等功能，以提高建模速度。力学模型建成并保存后，要应用SAP84自带的数据检查功能，对模型的准确性进行检查，确定无误后可进行试计算。

3 约束及载荷处理

由于采用整机模型，塔式起重机在独立工作状态时，塔身与基础相联，故将塔身与基础联接的4个节点进行约束，根据实际情况将节点的6个自由度全部约束。参照塔式起重机设计规范[2]，作用在塔式起重机上的载荷分为4类：即基本载荷，附加载荷，特殊载荷和其他载荷。强度计算时，主要分析塔式起重机在工作状态下，臂架沿45°方向时的受力情况。如果要进行其他方向的受力分析，可将塔身旋转相应的角度则可。在加载时，先将各种类型的载荷与SAP84模块的上的载荷种类一一对应，按载荷种类，分别将其加到模型的相应位置。计算中主要考虑的载荷有：

（1）自重载荷，主要包括回转支承、起升机构、变幅机构、平衡重、外套架等（SAP84自动将结构自重计入载荷种类1）；

（2）起升载荷，主要包括吊重、吊钩自重、变幅小车及50%的钢丝绳自重，并置于最大幅度处（必要时可对最大起重量进行分析）；

（3）正常工作状态下顺着起重臂方向的风载荷；

（4）正常工作状态下垂直于起重臂方向的风载荷；

（5）非工作状态下顺着平衡臂方向的风载荷；

（6）运行起制动的惯性力；

（7）回转、变幅起制动的引起的切向载荷；

（8）回转引起的离心力等。

4 有限元求解及后处理

塔式起重机金属结构的强度计算，应按工作最大载荷组合进行计算[1]。在有限元求解前，先按塔式起重机设计规范，定义各种分析工况下的载荷组合及系数，并在SAP84的载荷组合菜单下，定义内力组合和位移组合，之后就可求解计算了。计算完成后，可查看各杆件的弯矩、剪力、轴力、扭矩、长细比及节点位移等，之后就可利用计算及分析结果，对结构单元进行强度、稳定性及位移验算，并根据验算结果修改材料断面，从而降低计算工作量，并达到结构优化的目的。