新型塔架门式起重机整体结构有限元分析

刘祥伟，陈 昆，梅 杰，卢全国

(1.武汉理工大学物流工程学院，湖北武汉 430063;2.南昌工程学院机电学院，江西南昌 330099)

由于对某大桥中塔上部塔柱进行大节段安装的需要，设计了一种新型的塔架门式起重机。塔架门式起重机可利用塔腿顶升系统自行升降，其安装及拆卸均比较方便。该起重机的特点是吊装质量大，吊装高度高，工况复杂，因而对吊装设备结构的安全性能提出了较高的要求。为了保证设计的安全性，需要在传统设计的基础上用有限元分析的方法对结构的各个工况进行模拟和仿真，并进行强度和静态刚性的校核［1-3］。

1 塔架门式起重机的结构特点和工况分析

1.1 结构特点及基本参数

塔架门式起重机的整机结构如图1所示。其主结构由4个M900塔式起重机的塔腿作为支撑，两片由端梁连接的主梁构成的起升小车运行平台组合而成，是一台具有双向外伸臂的门式起重机。

图1 塔架门式起重机结构示意图

该起重机部分相关参数如下:额定起重量为500 t;跨度为42.8 m;有效悬臂长度为12 m;起升高度为200 m。

随着吊装工程的进行，起升高度会不断增高。为了保证塔腿的稳定性，在整个工作流程中，根据对塔柱的吊装要求，在前伸距10.5 m至后伸距6 m，额定起重量为5000 kN;在前伸距12～10.5 m之间，额定起重量为2500 kN。

1.2 计算工况及计算载荷

根据起重机的工作特点确定起重机的计算工况共37种，具体如表1所示。

不同计算工况下的计算载荷不同。计算载荷除起重量外，还应考虑钢丝绳质量、结构自重(含梯子平台)、小车自重、立柱上辅助吊机自重及力矩、机器房自重、起升机构自重、运行机构自重、电器设备自重、机房平台辅助吊机自重及力矩等多种载荷［4］。

另外，由于起重机的高度变化大，必须考虑风载荷的大小随起升高度变化的影响。根据起重机设计规范相关规定，并结合起重机工作地风速统计数据，取工作状态下最大风速v=17 m/s，最大工作风压为qⅡ=177.2 N/m2;非工作状态下最大风速v=36 m/s，最大非工作风压 qⅢ=794.5 N/m2。

2 有限元模型的建立及结果分析

2.1 有限元模型的建立

采用通用有限元分析软件ANSYS对塔式起重机结构进行建模。

表1 塔架门式起重机计算工况

由于塔式起重机的结构尺寸较大，变形也较大，主梁、支腿、扶墙与中塔之间受力的相互影响不能忽略，因此需要采取整机建模进行分析。

另外，每个起升高度的有限元模型均不同，为了提高建模效率和分析通用性，建模时采用参数化设计语言(APDL)。APDL是一种类似于PORTRAN的解释性语言，提供一般程序语言的功能，并扩展了更高级运算，包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改和优化设计等。利用APDL语言组织管理ANSYS的有限元分析命令，就可以实现参数化建模和分析，极大地提高分析效率［5-7］。该塔架门式起重机建模的部分命令流如下:

由于塔腿是M900的标准节拼装而成的，因此，在分析中将标准节建为一个专门的块，可提高分析效率。塔架门式起重机有限元模型如图2所示。扶墙力的准确性对设计后期的扶墙系统设计有较大的影响，因此建模时均按实际位置和尺寸建立。扶墙框及扶墙杆如图3所示。

2.2 约束处理与载荷施加

图2 塔架门式起重机有限 元模型

图3 扶墙框及扶墙杆

由于整机结构中铰点较多，如不进行合理处理，会在计算中出现局部应力过大等与实际不相符的情况。如果对桁架中所有的铰点均按实际方式进行耦合处理，虽然运行的结果较准，但运算时间较长，效率低。通过比较不同建模方式和其计算结果可知，对标准节中的大多数铰点均可做桁架形式的固接撑杆处理，而对主梁与塔腿之间、扶墙杆两端的铰连接则需按实际情况处理［8］。

货物、吊具和小车等部件的质量以节点力的形式加载在小车车轮处的节点上。钢结构的自重由有限元程序自动计入，其他载荷均加在对应的节点上［9］。其中风载荷的加载需根据公式PⅡ=CKhqⅡA和PⅢ=CKhqⅢA计算的结果求出不同高度的风载荷，并按从下到上数值逐步增加的形式合理分配到整机模型的各个节点上。由于节点数目太多，因此，这一过程需要由加载程序通过循环计算自动进行。图4为塔腿结构风载荷的加载情况。图5为工况31局部应力放大图。

图4 塔腿的风载荷加载

图5 工况31局部应力放大图

2.3 结果分析

将全部工况的载荷依次加到有限元模型上进行计算，得到全部工况下的应力和结构最大垂直挠度，结果如表2所示。

2.3.1 静态刚性校核

塔架门式起重机静态刚性以满载小车位于跨中时的主梁跨中挠度和位于悬臂端时的主梁悬臂挠度来表征［10-11］。此时，整机加载不考虑动荷系数，并且不计梁的自重，只考虑额定起升载荷和小车自重引起的挠度。

表2 应力和挠度计算结果

主梁跨中许用挠度为「f1⏋≤L/700=42800/700≈61 mm。主梁悬臂端许用挠度为「f2⏋≤L/350=10500/350=30 mm。

由于整台起重机的高度高，故在计算中不能忽略主梁支座本身的下沉量，故在进行静态刚性计算时，需要考虑主梁支座位移的折算挠度，具体结果如表3所示。

表3 主梁挠度计算结果

2.3.2 强度校核

塔架门式起重机结构的主要材料均采用Q345B或与其等效的钢材，取安全系数为1.33，材料Q345的屈服极限为345 MPa，因此该结构的许用应力为:

从全部工况的计算结果中可以看出，起重机在工作中最危险工况出现于工况31，其最大应力为179 MPa，位于主梁的右端位置;而在非工作状态下，最危险工况出现于工况32，最大等效应力为145 MPa，位于塔腿和扶墙的连接位置。工况33垂直方向变形云图如图6所示。

当起重机位于最高位置且遇到暴风时，由于塔腿的悬臂端过长，结构的最大应力超出许用值，可通过加防风拉索加以控制，重新计算后，结构的最大应力为110 MPa。

2.3.3 其他主要部件校核

由于塔腿与主梁的连接支座在结构中起承上启下的关键作用，因此可在提取最大支座反力的基础上使用板单元建模进行细部的详细计算。在计算时，首先提取支座处线载荷，也就是梁单元模型在该处的应力，即:

接着将它们与节点的位置规律运用表数据的格式表示出来，然后使用ANSYS中的pressure命令施加相应的线载荷进行计算，其计算结果如图7所示。

图6 工况33垂直方向变形云图

图7 主梁与塔腿连接支座应力云图

3 结论

在传统设计的基础上采用有限元分析方法对新型塔架门式起重机结构的各个工况进行仿真和比较精确的分析计算，以验证设计的合理性和安全性。通过计算发现，该塔架门式起重机主结构及其他部件的强度、静态刚性均在许用值的范围内，完全满足使用要求。

在有限元分析的过程中，有以下几个创新点:

(1)对塔架门式起重机的主结构及其附件进行整机建模，提高了计算结果的准确性。针对整机结构中铰点比较多的特点，根据实际情况进行了处理，提高了计算的合理性。

(2)采用APDL语言编写了有限元分析的命令流文件，并针对结构特点编制了标准块，大大提高了计算的效率。

(3)在对塔架门式起重机的全部工况进行详细分析的基础上，对所有工况进行了模拟和分析，实现了整机全工况分析，为塔架门机的设计提供了精确的参考数据。

［1］张亚军，程文明，梁剑，等.新型悬拼式架桥机结构有限元分析［J］.起重运输机械，2009(1):68-71.

［2］张利英，赵昕哲，吴建松.ANSYS在塔式起重机结构分析中的应用［J］.建筑机械化，2004(9):57-59.

［3］王元清，姜波，石永久.大跨度钢桁架拱桥主拱和边段提升支架承载性能分析［J］.铁道科学与工程学报，2005(3):9-14.

［4］张华.新光大桥主拱拱肋提升塔设计［J］.铁道标准设计，2009(6):36-39.

［5］MAGGI Y I，GONCALVES R M，LEON R T，et al.Parametric analysis of steel bolted end plate connections using finite element modeling［J］.Journal of Constructional Steel Research，2005，61(5):689-708.

［6］杨秀萍，王鹏林.基于ANSYS APDL语言的零件参数化有限元分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2005(11):10-11.

［7］龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程［M］.北京:机械工业出版社，2004:54-103.

［8］王金诺，于兰锋.起重运输机金属结构［M］.北京:中国铁道出版社，2002:32-67.

［9］王富耻，张朝辉.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用［M］.北京:电子工业出版社，2006:23-127.

［10］GB/T 13752—1992.塔吊起重机设计规范［S］.

［11］GB/T 3811—1983.起重机设计规范［S］.