ANSYS在塔机结构设计中的应用

吴俊峰

（华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450015）

ANSYS在塔机结构设计中的应用

吴俊峰

（华电郑州机械设计研究院有限公司，河南 郑州 450015）

传统设计方法下塔式起重机试制样机成本高、设计效率低，用ANSYS软件对QTZ40型塔式起重机进行建模与有限元分析，对金属结构的连接、约束、载荷进行有效处理，通过对塔机结构的强度和刚度校核，验证了塔机设计方案的合理性，也证实了有限元分析法的可行性，为塔机产品的优化设计提供理论依据。

塔机；ANSYS；有限元

0 引言

塔式起重机 （以下简称塔机）是一种重要的施工机械，由于具有工作效率高、使用范围广、回转半径大、起升高度高、操作方便以及安装与拆卸简便等优点，已成为工程建设中的主要机种之一。传统的设计方法普遍是依据材料力学中的许用应力校核原理得出的，真正分析的对象仅仅是结构的截面形状和面积等参数。由于受工作量限制，该方法只能验算几个在理论上认为是危险的截面，计算的精度一开始就受到限制，不仅工作量很大并且具有一定的盲目性，已不能适应由激烈市场竞争造成的最短周期产品设计的要求。

ANSYS是一种运用广泛的通用有限元分析软件，它是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域。在工程设计和分析中受到越来越广泛的重视，其计算结果不仅详尽，而且更具可靠性。采用有限元分析的方法进行机械产品的设计计算将会极大地提高设计效率、保证其设计质量，尽早发现设计缺陷，从而有效地缩短研发周期，降低生产成本，使产品的结构和性能更加合理。

1 塔机结构建模

塔机在工作过程中绝大部分的载荷来自自重和吊重的作用，还包括冲击载荷、风载荷等，但是无论这些外界载荷作用点在塔机的什么部位，最终都要传递给塔机钢结构，因此塔机的结构性能很大程度上决定了整机质量的好坏。本文用ANSYS软件对QTZ40塔机的结构进行静态强度和刚度分析，计算出塔机结构的应力和变形。模型建立的依据为塔机结构设计的原始尺寸，金属结构采用普通碳素结构钢Q235,该材料的弹性模量E= 210GPa，泊松比μ=0.3，屈服极限σs=235MPa，密度ρ= 7800kg/m3。由于塔机的实际结构主要是由桁架焊接成的，且几何模型很复杂，结合其实际受力特点，有限元模型的单元类型选择弹性三维梁单元 BEAM4，它是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。在建模过程中，为了保证结构模型的有效完整和实际的可操作性，做了以下两点处理。

（1）主弦杆和腹杆的每个连接点都根据实际尺寸建立了节点，另外每段臂节的连接点也建立了节点，保证有限元模型与塔机在几何上相同。

（2）对结果影响不大的局部结构 （如钢丝绳、吊钩等）由于它们的质量与整个结构相比显得很小，为建立模型方便可以不用考虑。

静态有限元分析是计算在固定不变的载荷作用下的结构响应，不考虑惯性和阻尼的影响以及结构随时间变化的载荷情况。在塔机产品设计初期全面了解其在不同工况下的强度状况，确定应力、应变危险点，为塔机的结构优化设计进行分析指导。

图1 塔机结构有限元模型Fig.1 The finite element model of tower crane structure

2 有限元分析主要步骤

应力、应变分析是结构设计分析的基本内容，而塔机结构静强度分析的主要任务就是计算在固定载荷作用下结构的应力及变形，以便对其强度和刚度进行校核，保证结构既安全、正常工作，又符合经济性的要求。

2.1 载荷

塔机结构静强度分析计算时需要考虑的主要载荷包括自重载荷、起吊载荷、冲击载荷、风载荷。下面详述如下：①自重载荷：金属结构自重钢材密度取7.8×103kg/m3；②起吊载荷：塔机总起重量的重力，考虑工况的不同，起吊载荷也会不同；③冲击载荷：起重小车运行时，由于轨道不平整，通过起升荷载乘以动力放大系数来考虑起升荷载的动载效应，取冲击系数为1.1，起升制动加速度按照 0.1m/s2考虑；④风载荷：工作状态风载荷Fw=CwPwA，其中Pw为风压，取工作状态Pw=250N/m2；Cw为风力系数，取工作状态Cw=1.3；A为迎风面积。

2.2 工况

根据QTZ40型塔机的工作特点，这里分三种工况进行计算分析：①前端加载1t；②臂架中间加载2.2t；③最近端加载 4t。

计算中载荷施加情况和采用的单位如下。定义一个沿着塔机模型重力方向 (本文是沿整体坐标系 -Y轴 )的重力加速度，让自重以惯性力的形式加在每个单元上，风载以面压力的形式加在臂架架体迎着风向的受力面上，根据理论计算分析，在塔机工作时，风侧向吹时最为不利，因此这里仅考虑侧向风载荷。本文中计算值单位：应力数值单位为MPa，变形数值单位为mm。

图2 工况1应力及变形Fig.2 The stress and deformation of working condition 1

2.3 约束处理

塔机下端四个角位置处全约束，限制3个平动自由度和 3个转动自由度，除此以外，所有的节点均为自由节点。

图3 工况2应力及变形Fig.3 The stress and deformation of working condition 2

2.4 计算结果及分析

计算结果表明：通过对各种工况下计算的应力及变形图进行分析，其中最大应力为124.3MPa，小于钢材的许用应力值[σ] =180MPa，所受静强度低于材料的强度极限，满足设计时的性能要求。Y向变形最大值为124mm，小于许用值42000mm/250=168mm，满足强度和刚度要求，根据挠度的变形值，在制造时预先制作好上翘度，这样在起吊荷载的时候，可以保证臂架的水平度，有利于小车的平稳运行。综上可以看出整个塔机结构的应力和变形满足规范设计要求，可以很好地分析出塔机结构的整体应力分布等特性，从应力分析角度看，材料抵抗破坏的能力有很大潜力。综合评价：塔机结构设计趋于保守，能在危险工况下安全工作，而且具有较大的优化空间，可通过结构优化来合理经济的使用材料。

图4 工况3应力及变形Fig.4 The stress and deformation of working condition 3

3 结论

（1）建立了塔机结构的BEAM4单元模型，并结合实际受力特点施加等效的节点约束和各种载荷，对其进行强度、刚度分析与校核，对载荷的施加、结构件之间的连接及约束根据实际结构作了适当处理，避免了局部计算应力过大与实际情况不相符的现象。

（2）分析了塔机结构工作过程中的工况及承受的载荷，进行了强度与刚度计算。通过ANSYS软件建立塔机结构模型并对之进行有限元分析，是一种行之有效的结构设计和验证方法，在结构设计中起到非常重要的作用，可以使塔机设计者在虚拟设计阶段就可以很容易地分析和修改设计方案，避免了传统设计方法中昂贵耗时的样机的制造，降低了生产成本，缩短了开发周期，有利于提高产品的设计质量和公司的市场竞争能力。

[1]龚曙光.ANSYS工程应用实例解析[M].北京:机械工业出版社，2003.

[2]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.

[3]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.

The Application of ANSYS in the Structure Design of Tower Crane

WU Jun-Feng
（Huadian Zhengzhou Machinery Design Research Institute Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450015,China）

Traditional design methods of tower crane manufacture prototype cost is high,the design efficiency is low,Establish model and finite element analysis with ANSYS,deal with the connection、constraints、load of metal structure effectively,through tower crane structure strength and rigidity check,to validate the rationality of the design of tower crane,also confirmed the feasibility of finite element analysis method，as to provide theoretical basis for optimum design of tower crane products.

tower crane；ANSYS；finite element

TP391.9

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.038

1002－6673（2014）03－096－03

2014－03－03

吴俊峰 (1982-)，男，河南郑州人，工程师，工学硕士。从事水电站起重设备方面的设计研发工作。