基于ANSYS的塔式起重机结构稳定性分析

维普资讯 http://www.cqvip.com 捌潮《　麟一＿　辫…一　。　搿妒　设计计算　Ｄ　ＥＳ　Ｉ　Ｇ　Ｎ　　ｌ＆ｌ＾＿　ＬＡＴｉ　基于ＡＮＳＹＳ的塔式起重机结构稳定性分析　郑夕健　，谢正义　，张国忠　（１．东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳１１０００４；２．沈阳建筑大学，辽宁沈阳１１０１６８）　［中图分类号］ＴＨ２１３．３　［文献标识码］Ｂ　［文章编号］１００１—５５４Ｘ（２００７）１１－００７６—０３　Ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｏｗｅｒ　ｃｒａｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＮＳＹＳ　ＺＨＥＮＧ　Ｘｉ－ｊ　Ｊａｎ，ＸＩＥ　Ｚｈｅｎｇ—ｙｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｇｕｏ－ｚｈｏｎｇ　随着塔式起重机（以下简称塔机）技术的进　几何尺寸较小，刚度大、质量集中，且实体部分　步，塔机正不断向大型化方向发展，随之而来的　局部不易失稳，在塔机结构稳定性分析时，将回　结构稳定性问题也越来越重要，塔机结构的稳定　转支承等实体部件采用质量等效处理。　性分析和稳定性验算已经成为结构设计中必须考　（２）塔身、起重臂简化。　虑的关键性问题，而目前对塔机结构稳定性的校　塔身底部结构刚度大，安装在整块基础上，　核主要还局限于手工计算，且ＧＢ／Ｔ１３７５２—１９９２　认为其底部能承受弯矩，假设为固定支座；起重　《塔式起重机设计规范》并没有给出足够的说明。　臂根部通过销轴与塔机回转节相连，在臂架起升　有限单元法理论的日益完善和计算机技术的迅速　平面认为是固定铰支座。　发展为该问题提供了一个较好的解决方法，本文　（３）塔机附件简化。　利用有限元方法，对塔机结构建模、载荷处理及　电机等附件由于相对塔机整体结构而言，几　稳定性分析过程作了探讨和分析，在此基础上对　何尺寸小、质量集中，对整体结构进行稳定性分　某塔式起重机进行结构稳定性求解，并对所得成　析时，将附件等实体部件采用等效处理；对于变　果进行了分析。　幅钢丝绳，分布比较均匀，可通过改变相应杆件　的密度来添加其质量；变幅小车、吊钩因与吊重　１塔式起重机有限元模型的建立　同步，可将其质量与吊重一起作为起升载荷处理。　１．１建模原则及结构简化　根据圣维南原理，这种处理仅影响附件、吊钩及　根据设计规范的规定，塔机构件必须工作在　变幅小车作用点附近的局部应力大小及分布，对　材料弹性范围内，且对一般中小型塔机的结构分　塔机整体应力变化及分布无大的影响。　析不必考虑非线性因素，因此本文只讨论在常温　塔机杆件结构自重处理为均布线载荷，各段　线性条件下塔机结构稳定性分析。　载荷分别按截面尺寸和相应材料密度确定。　为了建模更加合理，应考虑如下基本原则：　１．２单元选择　（１）模型能全面、准确地反映塔机结构特点；　塔机是空间实体，选用三维有限元单元。按现　（２）模型受力应与塔机在工作时外载荷作用下相　行设计规范及塔机受载特征，塔机有限元计算中通　同；（３）模型的边界条件处理应与塔机实际工作　常采用ＢＥＡＭ４、ＢＥＡＭ４４、ＢＥ　＼，Ｉ１８８／ＢＩ１ＡＭ１８９、　ＬＩＮＫ８、ＳＯＬＩＤ１　８５、ＭＡＳＳ２　１等单元进行建模。　时保持一致。　塔机有限元建模时，根据实际情况进行必要　ＡＮＳＹＳ提供的主要弹性三维梁单元有ＢＥＡＭ４、　简化：　［收稿日期］２００６—１２—２６　（１）回转支承简化。　［通讯地址］郑夕健，沈阳市浑南新区沈阳建筑大学交通与　由于回转支承等实体部件相对塔机整体而言　机械工程学院　建冤机械２００７．１１（上半月刊）　维普资讯 http://www.cqvip.com ＢＥＡＭ４４、ＢＥＡＭ１８８、ＢＥＡＭ１８９等，这些单元　单元。附件质量划为１个质量点单元。杆件交点、　各具特点，可以满足不同的分析要求。对于塔身、　质量点均处理为节点。结构阻尼忽略不计，最终　平衡臂及起重臂主要杆件处理为梁单元，选择　得到该塔机有限元模型如图１，共２８１６个单元，　ｂｅａｍ１８８进行模拟即可满足分析要求。ＢＥＡＭ１８８　２４３７个节点。　是建立在Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏ分析理论基础上的线性梁单　元，增强了横截面定义功能，改进了梁构件另两　维的可视化特性，该单元考虑剪切变形的影响，　在单元插值函数中，挠度和截面转动进行各自独　立插值。　对于平衡臂及起重臂拉杆，选择三维桁架单　元ｌｉｎｋ８（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｌｉｎｋ　３Ｄ　ｓｐａｒ　８）模拟。ＬＩＮＫ８　是２节点６自由度的轴向拉伸、压缩三维杆单元，　主要用于模拟两端结点铰接的空间杆件，不考虑　图１塔式起重机有限元模型　杆件的弯曲及扭转变形。　附件质量选择ｍａｓｓ２１（Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　３Ｄ　ｍａｓｓ　２１）　单元模拟。ｍａｓｓ２１是ＡＮＳＹＳ提供的３Ｄ质量点单　２塔式起重机结构基本稳定性分析　元，具有沿，２７、　和ｚ向的平动及绕．２Ｃ、　和ｚ轴　Ｋ５０／５０塔机主要性能参数如下：　转动的６个自由度。质量单元在静态解中无任何效　工作幅度／ｍ　３．９～７０　应，在计算中加入重力加速度才具有惯性载荷，　起升重量／ｔ　５～２０　可分别定义于每个坐标系方向。　额定起重力矩／ｋＮｍ　４０００　１．３确定边界条件　起升速度／（ｍ／ｍｉｎ）　５０／２５／１２．５　根据上述简化假设，认为塔身根部能承受弯　回转速度／（ｒ／ｍｉｎ）０．６　扭载荷，处理为固支座，即约束线位移Ｕｘ＝０；　变幅速度／（ｍ／ｍｉｎ）８４／４２／１３．５　ｕｓ＝０；Ｕｚ＝０；角位移Ｒ０　＝０；ＲＯＴｙ＝０；　（１）工况计算。　ＲＯＴｚ＝０。起重臂根部通过销轴与塔机回转节相　本文对塔机在工作状态、无风、静载下进行　连，在臂架起升平面认为是固定铰支座，约束线　稳定性分析。根据该塔机起升特性，选择４个典型　位移Ｕ：ｃ＝０；ｕｓ＝０；Ｕｚ＝０；角位移ＲＯＴｘ＝０；　工况位置进行加载，加载工况位置数据如表１所　ＲＯＴｙ＝０。　示。其中工况一为在最大幅度处加载；工况二是　塔机所受载荷主要为自重载荷、起升载荷、　在两吊点跨中加载；工况三是在最大起重量对应　风载荷及回转惯性载荷等，本文主要针对塔机结　的最大工作幅度处加载；工况四是在最小工作幅　构的基本稳定性进行分析，故载荷只取自重载荷　度处加载。　及起升载荷。自重载荷处理为均布线载荷，包括　塔身、平衡臂、平衡重、起重臂、变幅机构及回　表１工况加载幅度位置　ｍ　转机构等，由ｍａｓｓ质量和材料密度确定；起升载　工况一　工况二　工况三　工况四　荷包括吊重、吊钩、滑轮组及变幅小车重量。　７０　３４　２３　４　１．４建立塔机有限元模型　根据现行规范及上述处理，本文以Ｋ５０／５０塔　（２）塔机结构基本稳定性分析。　式起重机为例，建立有限元模型。按杆件材料、　结构的失稳破坏一般可分为平衡状态分枝型　规格型号和不同的截面划分单元网格，塔身、平衡　失稳和极值点失稳两种，当载荷达到一定数值时，　臂及起重臂主要杆件每２个交点问的线划分为２－－４　结构发生平衡状态分枝型失稳，失稳的临界载荷　个单元，拉索划分为１个单元，腹杆划为１～２个　可以通过分枝平衡状态的分析进行计算，分枝平　建筑耘拭２００７．１１（上半月刊）　维普资讯 http://www.cqvip.com ＿＿　…　《　设计计算　ＤＥＳＩＧＮ＆　Ｃ馥ＬＧＵ　ＡＴＩＯＮ　衡状态实际上是一种随遇平衡状态（如图２）。　取一阶屈曲模态，计算结果如表２。　表２计算结果　工　况　工况一　工况二　工况三　工况四　特征值　１．０００５　０．９９５２　１．００６６　０．９９６９　屈曲载荷值／Ｎ　１４７１５０　３６７８７５　５４９３６０　１４８１３１０　特征值误差／　０．０４９　０．４８　０．６６　０．３１　屈曲变形（比例放大５００倍）分别如图３—６。　３结论　图２特征值屈曲失稳曲线　依据计算结果及屈曲变形图，得到结论如下：　当载荷达到一定的数值后，随着变形的发展，　（１）工况一的屈曲载荷较工况二、三、四要　结构内、外力之间的平衡不再可能达到，这时即　小，说明塔机在最大幅度工作时，塔机局部失稳　使外力不增加，结构的变形也将不断地增加直至　最易发生。　结构破坏，这种失稳形式通常是发生在具有初始　缺陷的结构中。在这种失稳情况下，结构的平衡　形式并没有质的变化，失稳的临界载荷可通过载　荷一变形曲线的载荷极值点得到，此时结构的位　移已经超出小变形范围，一般为几何非线性和材　料同时存在的复合非线性问题。　针对上述失稳问题，ＡＮＳＹＳ程序提供了特征值　屈曲和非线性屈曲两种分析方法。按照塔机设计规　图３工况一的屈曲变形　范，本文选择特征值屈曲对塔机进行稳定性分析。　结构在临界平衡时所对应的平衡方程为线性　方程组。令方程系数行列式ｌ　Ａ　ｌ＝０，求特征值，　由于屈曲分析计算出的特征值表示所有荷载的放　大系数，因而在施加载荷中若无常量载荷时，可以　加单位荷载求出的最小特征值即为屈曲载荷Ｐｒｒ；　但由于塔机工作时自重为常量载荷，在特征值求　解中必须保证自重应力刚度矩阵在计算中不被放　大，求解的方法是改变外部载荷Ｆ的大小反复求　图４工况二的屈曲变形　解特征值，直至特征值等于或者接近于１（在允许　误差内）时停止计算，此时外载Ｆ为所求失稳时　的临界载荷Ｐ…对塔机的４种工况加载进行求解，　首先进行静力学求解，完成后重新进入ＡＮＳＹＳ求　解器进行稳定性求解（Ｅｉｇｅｎ　Ｂｕｃｋｌｉｎｇ），设置提取　特征值数目为１，最后进入后处理即可得到某个工　况下的特征值。通过改变吊重大小，重复上述求　解过程，直至提取的特征值等于或接近１时停止计　图５工况三的屈曲变形　算，此时的吊重即为该位置的屈曲临界载荷，提　（下转第８１页）　建筑札械２００７．１１（上半月刊）　维普资讯 http://www.cqvip.com ‘，　、‘，。——轴系１和２换算至轴１和２上的　转动惯量；　数Ｄ。远大于１。　为了提高振动台的同步性，增大　ｒ２Ｗ和减　ｚ　——轴１和轴２中心至机体质心的距离。　由式（１１）可知，当‘，＋　定运转。　小　一△Ｍ　的值都有效。即转速较高、偏心块质　≈０）、两摩擦阻力矩接近相　‘，。＞ｏ时，其稳　量矩低，－及稳定性指数绝对值Ｉ　Ｗ　Ｉ较大、两电动　机特性接近相同（　等（ＮＶ／ｓ－￣０）及参振质量对质心的转动惯量越小的　为了使混凝土振动台能够实现同步运转，还　必须满足同步性指数［４］Ｊ　Ｉ≥１的要求，即　自同步振动台其同步性越好，较容易实现同步运转。　通过上述分析可知，为了使混凝土振动台实　　ＩＤ　』　（１２）　现自同步运转，并达到良好的工作状态，双电机　式中　＝　２～　；　驱动的振动台应选择同一型号的电动机，同时尽　量使它们的特性曲线相近，或转差率接近相同。　△Ｍｆ＝Ｍｎ～Ｍｎ；　、　。——轴１和轴２上的电动机转矩；　还必须十分注意传动部的安装和调整，使轴１和轴　Ｍｎ、Ｍ　——轴１和轴２上的摩擦转矩。　２的摩擦阻力矩接近相等。为了保证其稳定运转，　Ｊ　Ｊ≥１是判别自同步振动台能否实现同步运　振动机体对其质心的转动惯量应大于零。　转的判据。　ｌ的大小可以表征振动台同步性的强　［参考文献］　弱程度，Ｊ　Ｊ越大，实现同步越容易。当ｆ　Ｊ≈１　［１］陈宜通．混凝土机械ＥＭ｝．北京：中国建材工业　时同步性很弱，ｌ　ｌ＜１时不能实现同步。　出版社，２００２．　双轴自同步非共振惯性混凝土振动台激振器　［２］闻邦椿，刘树英等．振动机械的理论与动态设计方　的调整工作，主要是保证两轴运转的同步性，所　法［Ｍ３．北京：机械工业出版社，２００１．　以要求同步运转状态稳定，以及将两轴上偏心块　［３］王志伟，马明江．理论力学ＥＭ３．北京：机械工　的相位差角　限定在要求的范围内，以便获得所　业出版社．２００６．　需的运动轨迹，并使两电动机的功率均衡，主要　［４］闻邦椿，赵春雨，苏东海等．机械系统的振动同步　是限制相位差角　的值。根据设计要求，尽量使　与控制同步［Ｍ］．北京：科学出版社．２００３．　趋向于０。为了控制　，应尽可能使同步性指　［责任编辑：杨晓光］　（上接第７８页）　不同。分析发现，塔身最不易失稳；对应工况一，　起重臂前端最先发生失稳，见图３；对应工况二、　三，则平衡臂根部附近易先失稳，见图４、图５；　对应工况四，起重臂根部首先失稳，见图６。这与　塔机塔身、起重臂、平衡臂的结构特点及载荷位　置相对应，失稳规律合理。　［参考文献］　［１］尚晓江，邱峰等．ＡＮＳＹＳ结构有限元高级分析方法　图６工况四的屈曲变形　与范例应用［Ｍ］．北京：中国水利水电出版　（２）工况二、三、四屈曲载荷依次增大，说　社，２００５．　明越接近起重臂根部，塔机所能承受的临界载荷　［２］王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法　越大，说明在这些工况下塔机结构不易失稳。　［Ｍ］．北京：清华大学出版社，１９９７．　（３）在不同工况下，塔机结构局部失稳位置　［责任编辑：马俊］　建筑札械２００７．１１（上半月刊）　８１