基于ANSYS的塔式起重机整机结构有限元分析

林庆文

（广东水利电力职业技术学院，广东广州 510635）

0 引言

塔式起重机（以下简称塔机）是建筑施工中的主要施工工具，就结构形式而言，可以分为动臂变幅式和水平臂小车变幅式。其中水平臂小车变幅式塔机又可分为带塔头塔机和平头塔机。塔机的强度和刚度决定着塔机工作的可靠性和安全性，因此，结构应力分析是塔机设计开发中的一项极其重要的工作。本文运用ANSYS有限元分析软件，对某公司JT6024塔机三种典型工况进行了分析，给出了不同工况下的应力及位移结果，对该型号塔机的设计生产提出改进意见。

1 塔机结构有限元模型的建立

JT6024塔机的金属结构主要包括塔身、塔顶、起重臂架、平衡臂、起重臂拉杆、平衡臂拉杆、变幅小车、吊钩以及上下回转支承等组成。根据GB/13752-92《塔式起重机设计规范》[1]，计算时一般不考虑塑性影响，因此，本分析只考虑弹性情况，并对模型进行必要的简化。

具体处理如下：（1）回转支承及上、下支承座等实体部件的刚度较大，在本分析中采用较大截面的梁单元进行简化，并将其自重加载在相应节点上；（2）配重块自重平均加载在其所在位置的节点上；（3）塔身套架总成自重叠加到与其相连的塔身相应节点上。

1.1 单元的选择

本分析中除起重臂拉杆和平衡臂拉杆采用LINK8连杆单元外，其他均选用BEAM188单元[2]。

LINK8是一种能应用于多种工程实际的杆单元。单元能被应用于桁架，垂缆，杆件，弹簧。这个三维的杆单元只能承受单轴的拉压，单元每个节点上有三个自由度：x、y和z方向的位移。

BEAM188单元是2节点线性、二次或三次3D梁单元，适合于分析从细长到中等粗短的梁结构。BEAM188单元以Timoshenko梁理论为基础，并考虑了剪切变形的影响。BEAM188单元的每个节点具有6或7个自由度，这取决于参数KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)=0（缺省）时，每个节点具有6个自由度。即x、y、z方向的三个位移自由度和绕x、y、z轴的三个转动自由度。当KEYOPT(1)=1时，BEAM188单元引入第7个自由度（横截面的翘曲）。这个单元非常适应线性、大角度转动以及大应变等非线性问题。BEAM188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread定义横截面，这对于塔机实际设计中通过局部焊接加强板来提高塔机强度的分析是非常方便的。

1.2 有限元模型

1.2.1 整机主要参数

本分析塔机主要参数如下：

最大独立高度： 59.7 m；

起重臂最长： 60 m；

最大额定起重量：10 t；

端部吊载： 2.4 t；

最大起升速度：2 m/s（双绳），1.33 m/s（三绳），1 m/s（四绳）；

回转速度：0.75 r/m，回转制动时间16 s。塔机整机有限元模型见图1。

图1 塔机整机有限元模型

1.2.2 选用材料

塔机的塔身主弦、起重臂上下弦、塔头主弦、拉杆等采用Q345B，平衡臂采用Q235B，所有腹杆材料选用Q235B或20号钢。

1.2.3 约束

本分析以固定式塔机作为算例，塔身最下端以固接支座进行约束。起重臂根部与塔机回转节的连接以固定铰支约束，平衡臂根部与塔机回转节的连接也以固定铰支进行简化。平衡臂的两根拉杆与平衡臂及塔顶的连接、起重臂臂的两根拉杆与平衡臂及塔顶的连接均为固定铰支约束。

1.2.4 载荷及工况

作用在塔机上的载荷可分为四类：即基本载荷、附加载荷、特殊载荷和其他载荷。基本载荷是正常工作时始终或经常作用在塔机上的载荷，包括自重载荷、起升载荷、各种动载荷和离心力。附加载荷是正常工作时不经常作用在塔机上的载荷，即工作状态下的风载荷、温度载荷。特殊载荷是偶然作用在塔机上的载荷，包括非工作状态下的风载荷、试验载荷等。

本分析主要依据GB/13752-92的有关规定进行，风载荷以手动方式计算，平均按最不利方向施加在节点上。计算所用三种典型工况如下：

工况一：臂架组合60 m，端部吊载2.4 t；

工况二：臂架组合60 m，最大幅度16.6 m处最大吊重10 t；

工况三：非工作状态，风压1 100 Pa。

2 计算结果

ANSYS可以显示轴向应力、最大（最小）主应力、Von Mises等效应力等云图，也可以通过单元表的形式输出轴向应力、弯曲应力等结果。

2.1 工况一

2.1.1 应力结果

（1）轴向应力、最大（或最小）主应力、Von Mises等效应力

1）轴向应力

图2 工况一轴向应力

轴向应力的云图见图2。轴向应力最大拉应力227.489 MPa，位于起重臂上弦靠近起重臂长拉杆处。轴向应力最大压应力-250.276 MPa（负值表示压应力），位于与起重臂短拉杆连接的起重臂节的下弦处。起重臂长拉杆轴向应力227.0 MPa，短拉杆轴向应力49.45 MPa，平衡臂两根拉杆轴向应力171.64 MPa和176.14 MPa。

2）最大（或最小）主应力

最大主应力的最大值240.76 MPa，位于与起重臂长拉杆连接的起重臂节的下弦处。最小主应力最大值-265.432 MPa（负号表示压应力），位于与起重臂短拉杆连接的起重臂节的下弦处。最小主应力云图见图3。

图3 工况一最小主应力

3）Von Mises等效应力

Von Mises等效应力云图见图4，其最大值为265.432 MPa，位于与起重臂短拉杆连接的起重臂节的下弦处。

图4 工况一Von Mises等效应力

2.1.2 位移结果

1）X方向（臂架方向）位移

最大位移732.255 mm，在塔尖处。起重臂臂端X方向位移为556.14 mm。

2）Y方向（垂直于臂架方向）位移

最大位移4 593.17 mm，在起重臂臂端处。

3）Z方向（竖直方向）位移

最大位移量-2 557.1 mm，在起重臂臂端处。

4）总位移

总位移云图见图5。起重臂臂端（节点606）的位移总量为5 286.3（556.14，4 593.2，-2 557.1）mm。起重臂与塔身连接处的位移总量为763.08（606.69，462.64，-13.360）mm，其水平位移为763 mm。

图5 工况一总位移

2.2 工况二

2.2.1 应力结果

（1）轴向应力、最大（最小）主应力、Von Mises等效应力

1）轴向应力

轴向应力的云图见图6。轴向应力最大拉应力122.475 MPa，位于起重臂上弦靠近起重臂长拉杆处。轴向应力最大压应力-246.723 MPa（负值表示压应力），位于与起重臂短拉杆连接的起重臂节的下弦处。起重臂长拉杆轴向应力97.27 MPa，短拉杆轴向应力201.85 MPa，平衡臂两根拉杆轴向应力171.78 MPa和176.0 MPa。

2）最大（或最小）主应力

最大主应力最大值152.099 MPa，位于平衡臂拉杆连接处附近。最小主应力-269.057 MPa，位于与起重臂短拉杆连接的起重臂节的下弦处。最小主应力云图见图7。

图6 工况二轴向应力

图7 工况二最小主应力

3）Von Mises等效应力

Von Mises等效应力云图见图8，其最大值为269.059 MPa，位于与起重臂短拉杆连接的起重臂节的下弦处。

图8 工况二Von Mises等效应力

2.2.2 位移结果

（1）X方向（臂架方向）位移

最大位移692.726 mm，在塔尖处。起重臂臂端X方向位移为548.71 mm。

（2）Y方向（垂直于臂架方向）位移

最大位移4 494.97 mm，在起重臂臂端处。

（3）Z方向（竖直方向）位移

最大位移量-1 797.04 mm，在起重臂臂端处。

（4）总位移

总位移云图见图9。起重臂臂端（节点606）的位移总量为4 871.3 mm。起重臂与塔身连接处的 位 移 总 量 为 803.22 （574.27，561.45，-12.271）mm，其水平位移为803 mm。

图9 工况二总位移

2.3 工况三

2.3.1 应力结果

（1）轴向应力、最大（最小）主应力、Von Mises等效应力

最大轴向压应力-240.94 MPa，最大轴向拉应力184.08 MPa，最大主应力200.22 MPa，最小主应力-256.534 MPa，Von Mises等效应力256.534 MPa，均位于第一标准节主弦处。Von Mises应力云图见图10。

2.3.2 位移结果

塔机总位移云图见图11，臂端最大总位移1 577.71 mm。起重臂与塔身连接处的位移总量为870.13（869.91，-1.3263，-19.699）mm，其水平位移为870 mm。

3 结论

3.1 塔机的强度

图10 工况三Von Mises等效应力

图11 工况三总位移

塔机在端部吊载（工况一）及最大吊重（工况二）工况下起重臂主弦的最大压应力（及Von Mises应力）分别达到265 MPa和269 MPa，略高于Q345B的许用应力257.5 MPa。在非工作状态风压1 100 Pa的情况下，最大压应力（Von Mises等效应力）也达到256.534 MPa。从安全的角度考虑，塔机起重臂上下弦及塔身主弦的强度略嫌不足，可以对应力超过或接近许用应力的部件进行适当加强（选用更大截面或采用加强板焊接加固）。

3.2 塔机的刚度

根据GB/T3811-2008《起重机设计规范》[3]，塔机塔身在其与臂架连接处（臂架与转柱连接处）产生的水平静位移ΔL与塔身自由高度H的关系，推荐为：。在本分析中，H=塔身在其与臂架连接处在工况一、工况二和工况三所产生的水平静位移ΔL分别为763 mm、803 mm和870 mm。从三种工况来看，塔机的静刚度略为不足，结合三种工况的应力结果，建议对塔机应力超过或接近许用应力的部件进行适当加强，以达到强度和刚度都满足设计要求。

［1］ GB/13752-92.塔式起重机设计规范［S］.

［2］ANSYS Inc.ANSYS Help 12.0［Z］.2012.

［3］GB/T3811-2008.起重机设计规范［S］.