基于ANSYS的QTZ315塔式起重机有限元分析

安 超

（重庆文理学院 机电工程学院，重庆 402160）

塔式起重机一般由三部分组成：金属结构部分、工作机构部分、驱动控制系统部分。其金属结构部分又由塔身、塔顶、起重臂梁、平衡臂架、回转支撑架和台架等主要部件组成。塔式起重机金属结构首先必须满足强度要求，静强度计算是最基本的计算。塔式起重机金属结构部分主要由桁架焊接成，杆件数目众多、结构复杂，因此对塔式起重机进行静力分析具有很好的实用价值。ANSYS是全球最通用的大型有限元分析软件之一。利用ANSYS软件，能够将实际模型置于各种复杂实际工况之中，准确合理地进行分析，从而减少实际试验的物质和人力投入，提高工作效率。本文以QTZ315塔式起重机为例，利用ANSYS软件对其整体结构进行建模，并进行静力分析。

1 ANSYS建模

建立有限元模型对静力分析十分重要。模型建立的是否正确、合理，直接影响分析结果的准确性。本文在建模过程中，将根据QTZ315塔式起重机的实际结构特点，对其有限元模型做适当的简化，如忽略焊缝对塔机的影响，轴销连接均按固定连接对待等。

1.1 单元类型和材料参数

QTZ315塔式起重机工作中除了承受轴向力外，还要承受弯矩、扭矩和剪力，所以，本文选取三维梁单元BEAM4建模。钢材选用Q235，其弹性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，密度为7800kg/m3。主肢材料为125mm×125mm×10mm（角钢），标准节截面尺寸为1.5m×1.5m×2.2m。

1.2 塔身建模

塔身由许多标准节构成，标准节又由立柱和腹板组成。建模时，把每个标准节之间的连接部分和立柱端部都设置为节点。由于每个标准节的拓扑关系、几何尺寸和截面类型相同，其他标准节可以通过平移节点位置来形成。塔身建模如图1所示。

1.3 塔臂建模

塔臂采用三角形截面等强度设计，拓扑关系比较简单，杆件连接之间又有很强的相似性。建模时，先建立单一臂架的参数化模型，然后依照工况建立整个臂架系统的有限元模型。建模过程中，对模型做适当的简化：弦杆相邻各腹板的端点都合为一点；上、下弦杆和腹杆的截面都一样；臂架各节间的轴销连接都按固定连接对待。塔臂建模如图2所示。

图1 塔身有限元模型

图2 塔臂有限元模型

1.4 塔顶建模

塔顶与塔身顶层标准节的节点相连，其第一层节点又连接着塔臂和平衡臂。塔顶形状规律性较差，塔顶建模如图3所示。

1.5 平衡臂建模

建模时将平衡臂结构进行简化，将上面附加部分简化成质量等效的部件。对于平衡臂和塔身、塔臂、塔顶连接的部分，将节点直接布置在一起。QTZ315塔式起重机的有限元模型如图4所示。

2 加载

模型建好求解之前，需要定义塔机结构的位移约束和载荷条件。QTZ315塔式起重机的位移约束，只需要将底部的4个节点固定即可。QTZ315（4206）塔式起重机的最大幅度额定起重量为0.633t，通过节点力定义命令“F，328，fy，-3165”和“F，329，fy，-3165”在 328和 329节点上施加集中力载荷。

图3 塔顶有限元模型

图4 QTZ315塔机有限元模型

3 塔机静力分析

为了提取QTZ315塔式起重机各个杆件内力的大小，要用单元表命令来定义需要处理的单元结果。具体命令如下：“Etable，LS1，ls，1”（轴向正应力SDIR）；“Etable，LS2，ls，2”（梁内单元＋Y面上的弯曲应力SBYT）；“Etable，LS3，ls，3”（梁内单元－Y面上的弯曲应力SBYB）；“Etable，LS4，ls，4”（梁内单元＋Z面上的弯曲应力SBZT）；“Etable，LS5，ls，5”（梁内单元－Z面上的弯曲应力SBZB）；“Etable，smax，NMISC，1”（最大应力）；“Etable，smin，NMISC，2”（最小应力）。

用“pldisp，2”命令显示QTZ315塔式起重机最大幅度额定起重量下的变形，如图5所示。

用“pletab，LS1”命令显示QTZ315塔式起重机在最大幅度额定起重量下的单元轴向应力分布，如图6所示。

图5 QTZ315最大幅度额定起重量下的变形

图6 QTZ315模型中单元轴向应力计算结果云图

用“pretab，LS1，LS2，LS3，LS4，LS5，smax，smin”显示单元表内容。表1、表2分别为单元表中各项结果的最小值、最大值及出现这些极值的单元。

表1 各单元表中的最小值

表2 各单元表中的最大值

从分析结果可知，QTZ315塔式起重机在最大幅度额定起重量下的变形为0.183m。最大拉应力和最大压应力分别为44.457MPa和-47.572MPa，出现在塔臂和斜拉索连接位置的附近。最大应力（正应力+弯曲应力）为150.58MPa，出现在塔臂端部的腹杆上。最小应力（正应力-弯曲应力）为-155.01MPa，出现在塔臂开始段的前面两根斜杆上。

4 结语

本文利用ANSYS软件对QTZ315塔式起重机进行了静力分析。在最大幅度额定起重量下，QTZ315塔式起重机的最大拉应力和压应力，一般出现在塔臂和斜拉索连接位置的附近。最大和最小应力分别出现在，塔臂端部的腹杆和塔臂开始段的前两根斜杆上。在进行QTZ315塔式起重机结构强度设计时，应适当增加这几个区域杆件的横截面积，以满足其强度要求。

[1]顾迪民.工程起重机[M].北京：中国建筑工业出版社，1998：5-6.

[2]任会礼，李江波，高崇仁.基于ANSYS的塔式起重机臂架有限元参数化建模与分析[J].起重运输机械，2006，（9）：11-12.

[3]常晓华，王春华.塔式起重机起重臂危险点的确定[J].建筑机械化，2006，（10）：21-22.

[4]吴启鹤.塔式起重机的应用和计算[M].成都：四川科学技术出版社，1996：62-64.

[5]赵伟，王良文，徐中明.塔式起重机整体结构有限元分析[J].机械与电子，2006，（10）：15-16.

[6]徐树东.起重机机构分析中有限元技术的应用[J].建筑机械化，2006，（6）：21-25.