基于nSoft的塔机起重臂疲劳寿命分析

2015-03-26张宏伟赵巧绒西京学院陕西西安710123

江西建材 2015年22期

■张宏伟，赵巧绒 ■西京学院，陕西西安 710123

塔机因具有起升幅度高、起重力矩大、工作幅度广、装拆运输方便、工作效率高等优点，而被广泛使用在高层建筑施工中。随着塔机利用率频繁、工作强度增高及作业持续时间增长等因素作用，塔机易产生疲劳破坏。文献［1］通过对塔机事故进行归纳统计，其中塔机起重臂断裂最为严重。文献［2］以QTZ63塔机为例，根据实测载荷谱输入疲劳分析软件，得到塔机易发生疲劳破坏的位置。文献［3［根据初始裂纹形成数值不同，用断裂力学和连续损伤力学理论来估算疲劳寿命。

为全面快速分析塔机起重臂的疲劳寿命，本文以QTZ4510塔机为研究对象，在静应力分析的基础上，利用雨流计数法［4］原理获取载荷谱，并借助计算机专软件，分析塔机的疲劳寿命，为塔机寿命预测、评估及设计改进提供一定的理论依据。

1 有限元应力分析

1.1 建立塔机起重臂有限元模型

某工地用QTZ4510塔式，应用ANSYS软件中APDL参数化语言快速对塔机进行整体建模。因塔机起重臂为典型的桁架结构，构造复杂，所以对塔机三维模型进行简化，各标准臂节之间、起重臂与拉杆之间采用刚性连接。建模次序依次为回转机构、塔帽、起重臂臂节、平衡臂、拉杆。APDL参数化语言，采用相对坐标系建立相应节点坐标，然后定义截面类型和材料密度，划分网格，最后显示塔机起重臂单元类型，建立塔机模型如图1所示。

图1 塔机有限元模型

1.2 塔机静应力分析

塔机因起升和变幅运动为动态工况外，其余均可理解在稳态下工作，如自重、风载离心力等均做静态载荷处理，所以对塔机进行静力学分析。根据上述塔机模型，其中节点坐标484个，1130个梁单元，1个实体单元，2个壳单元。QTZ4510塔机的起重臂有9个标准节，总长45m，建立臂节跨度30个，将载荷依次施加在每跨节点上，共得31个典型工况。再根据塔机起重性能曲线模拟可求得塔机各工况下的应力。各跨点静态下的最大应力值如表1所示。

表1 各跨点静态下的最大应力值

根据表2可知，塔机起重臂主要采用Q235钢焊接而成，其屈服极限值为235MPa，跨点的最大应力值为168MPa，在材料的许用应力值范围之内，因此该型号塔机符合设计要求。

2 塔机起重臂疲劳寿命分析

2.1 nsoft软件

nSoft软件是英国nCode软件公司主导的疲劳分析软件，其中的FE－fatigue模块基于应力疲劳分析和线性损伤累加理论进行寿命预测。应力疲劳分析法适合塔机的高周疲劳寿命预测，在循环载荷作用下，材料承受的应力和频率之间的关系式可用S－N曲线描述［5］

式中:m、C—材料常数。

线性损伤理论可计算构件在应力水平σi作用下，经过ni次循环的损伤为

破坏准则为

式中:Ni—在σi作用下循环到破坏的寿命，可由材料的S－N曲线确定;

Di—在σi作用下损伤变量，D=0截面无损伤;D=1截面完全损伤。

本文将塔机有限元分析结果保存为taji1文件，导入nSoft软件中进载荷谱的编制，。

2.2 塔机起重臂载荷谱编制

塔机工作情况因复杂承受随机载荷作用，采用传统贴应变片实测数据后，进行统计处理的方法费时费力，所以本文采用雨流计数法原理，通过应用ANSYS软件对塔机各工况下起重臂节点进行虚拟加载，得到塔机的静强度分析，结合塔机运行频率［6］，得到塔机的载荷时间历程，再通过疲劳分析软件进行处理即得到塔机的载荷谱。如图2所示