基于ansys的塔式起重机力学分析

李康敏 徐雅澜 耿冠秋 陈珂

摘 要：本文对塔式起重机进行研究，根据各结构特点，建立塔式起重机仿真模型。然后考虑风荷载作用，将风载量化到各个部件的单元节点上，施加起重载荷和位移约束求解。分析结果，该塔式起重机性能优良，安全稳定。这对大型塔式起重机结构的稳定性和安全性设计将有重要意义。

关键词：塔式起重机；有限元；风载荷

引言

近年来，随着建筑行业快速发展，塔式起重机得到广泛的推广。塔式起重机的推广使用，较大提高了工作效率，为施工创造了安全的工作环境。然而，工作效率提高的同时，塔式起重机也带来了一定的机械危险。为此，国内已开始重视在使用新型材料、新型工艺和新型技术的同时，研究安全稳定技术，减少不安全因素，提高产品竞争力。

目前，塔机不断向大型化发展，且主要以工作经验设计为主，虽满足基本工作要求，但自重大和稳定性差。本文通过对塔式起重机建模分析，得出其稳定性及安全性的结论。

一、塔式起重机结构特点

起重机的底架被固于专用的混凝土基础上，其上部与标准节连结，标准节最上端与回转中心的下转台连接，下转台与回转支承外圈连接。回转支承内圈上的转动部分，包括回转上转台、平衡臂、起重臂、塔帽、变幅小车与吊钩、起升机构、平衡重、回转机构以及操纵室等，这些部件均通过回转机构可以在水平面内作500度的全回转。

起重臂根部与上转台用铰链连接，且两根起重臂拉杆与塔帽连接。平衡臂根部与上转台用销轴连接，也用两根拉杆与塔帽相连。

塔式起重机是一种常见的施工起重结构，按结构类型可分为动臂式和静臂式。由于塔式起重机塔身较高，受到风载荷作用较大，因此对其安全性和可靠性的分析和评价是确保其在服役年限内正常使用的重要环节。

二、起重机仿真建模

塔式起重机金属结构部分主要有底架、标准节、下转台、回转支承、上转台、塔帽、平衡臂、司机室、起重臂、变幅小车、拉杆等。

（1）塔身由标准节组成。标准节呈长方形空间桁架结构，是由角钢组焊而成，四周为主角钢，其余角钢为副角钢。每个标准节内部都设有与标准节等长的爬梯，因不受力，模型中忽略爬梯。

（2）起重臂横截面为等腰三角形平面桁架结构，斜腹杆和水平斜腹杆为无缝钢管。上弦杆为钢管，两根下弦杆为实心方管，下弦杆的上表面及侧面，安装使用时须保证分别平整，以使变幅小车平稳移动。起重臂整体分为内跨、外跨和外伸段三部分。

（3）回转台由上转台和下转台两部分组成。下转台与标准节材料相同，上转台的上部分由实心方管等组焊而成，其顶部四角用销轴与塔帽连接，两侧分别与起重臂和平衡臂用铰链连接。对模型进行简化，忽略回转支撑。

（4）塔帽是由角钢组焊而成的空间桁架结构，且与塔身角钢材料相同，底部与回转塔身连接，顶部设有铰支座，分别与平衡臂拉杆、起重臂拉杆铰接。

（5）平衡臂是由工字钢和钢棒组焊而成的平面桁架结构，臂的尾端放置混凝土平衡重，臂的上平面设有行走平台，用于检修和安装，行走平台的两侧设有标准护栏，材料为钢棒。后端通过两根钢索与塔帽连接，前端用销轴与上转台连接。

（6）司机室设置在回转塔身的左前方，它的右前方为起重臂，右后方为平衡臂，操纵室内宽敞明亮，视野开阔，便于对地面实施操作。因为司机室重量远小于自重，所以忽略其对整体模型的影响。

（7）测拉杆的目的为提高塔身的稳定性，将塔身固定在建筑物上，本模型假设侧拉杆为固定约束。

（8）塔架下端、斜撑杆与地面混凝土为固定约束。

三、风载荷作用下的结构响应

1.风载荷计算

塔机一般在露天环境下工作，且塔身较高，受风荷载影响较大，所以必须考虑风荷载的作用。风载为任意方向作用的水平力，假设风载作用于塔机的一面。风载分为工作状态风载和非工作状态风载，工作状態风载是指塔式起重机在正常工作情况下所能承受的最大计算风力。本文手动计算风载荷，根据构件侧面积计算出所受风力，然后按最不利方向平均施加在节点上。最大风载荷计算如下表：

塔机上位置 面积约/M2 所受力/N 节点数 各节点所受力/N

塔身 25 8000 240 42

塔帽 5 1500 33 50

平衡臂 5 1500 16 100

起重臂 20 6000 120 50

2.施加荷载求解

在起重臂端点位置加2t的重物，由于移动小车有四个轮，根据圣维南原理和虚功原理可得，由于臂长远大于小车长度，因此将外载荷平均分配到小车附近的4个节点上，这样仅对作用点临近的应力有影响，对整体结构受力情况没有影响所以将20000N力近似作用在四个节点上，每个节点承受5000N。

3.结果分析

在最大风载作用下，起重臂端点处位移最大为43cm，通过计算，转角约0.5度，满足使用要求。最大应力发生在起重臂根部，且最大为95MPa，比自重下大5MPa，与实际情况相符合。所以该结构在最大风载作用下是安全可靠的。

分析塔身和塔顶应力分布图可得，塔顶靠近起重臂方向处应力较大，但远小于极限强度，所以结构安全且应该加强塔顶与塔身靠近起重臂方向的主撑杆的刚度。

四、结论

①综合以上分析，QTZ40塔机各项参数均满足极限要求。最大应力为110兆帕，低于极限强度。最大位移42cm，小于极限位移。该机性能优良可靠，造型美观，结构简单实用，是先进的安全起重机。

②有限元分析模型的优点是可以更精确的建立仿真建模，该软件由灵活的、多个可扩展的模块组成，因此可以满足各行业的工程计算需要。

参考文献

[1]谷礼新，郑海斌，彭卫平等.塔式起重机起重臂结构和稳定性有限元分析[J].机电工程技术，2005，34（8）：27-28.

[2]张毅.基于ANSYS塔式起重机起重臂多目标优化设计[D].中南林业科技大学，2010.5.

（作者单位：武汉科技大学理学院）