基于ANSYS的快架塔起重臂的静力学分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

1 前 言随着新农村建设的火热进行，尤其是传统民居、古城镇等保护性建筑文物修缮工作的开展，需要设计-种结构更轻巧，能够更好适应狭姓间作业的起重设备，使其在运输状态能够收缩至更小的尺寸，以便更好地穿梭于各施工现场之间的转运，这就需要保证满足现场使用的条件下设计-种快架塔，其起重臂在运输状态下可以收缩至更小尺寸，QTK16即是在现有快架式塔式起重机 (简称快架塔)的基础上设计的-款新型的快速架设塔机。QTK16快架塔起重臂的结构组成如图 l所示。

3 4 5 6 7 8 9 l0 11t ≤///I，17 l6 15 l4 i；图1 快架塔起重臂结构示意图1-尾拉索；2-尾部撑架；3-顶撑架拉索；4-顶部撑架；5--节臂拉索；6-二节臂拉索-；7-二节臂撑架；8-二节臂拉索二；9-三节臂撑架；10 三节臂拉杆；11-三节臂；12-变幅小车；13 吊钩；14Z.节臂；l5--节臂；16-变幅机构；17-展臂机构正常工作状态时，起重臂如图 1所示。为了方便转场运输，可以通过展臂机构的驱动，使得起重臂在各拉索的共同作用下，收缩至如图2所示的运输状态，此时，变幅小车涂在二节臂上，三节臂、二节臂置放在-节臂上方，各拉杆、撑架或拉索放置于起重臂两侧，拉索呈松弛状态。

图2 起重臂运输状态通过上述介绍可知，展臂收臂过程中，在展臂机构的驱使下，起重臂运动比较复杂，加上本快架塔设计的拉索全部采用钢丝绳组成，而钢丝绳由于本身的挠性好，为了保证快架塔可靠安全工作，需要对起重臂进行详细的分析计算，在此，采用 ANSYS对起重臂进行静力学分析非常有必要。

2 起重臂有限元模型的建立根据 QTKl6快架塔起重臂的工作特性，将起重臂简化等效为桁架结构，选用三维线性梁单元 BEAM188模拟起重臂臂架主体结构和撑架，选用 3D杆单元等效模拟三节臂拉杆的受力。由于各拉索均由不同直径的钢丝绳组成，结合钢丝建筑机械化2013(07)53Design＆Research 设计研究绳的受力特性，考虑到 linkl0单元的双线性刚度矩阵特性，可以来模拟轴向仅受拉或仅受压杆单元。如 ：使用只受拉选项时，如果单元受压 ，刚度就消失，以此来模拟钢丝绳的松弛，这-特性对于将整根钢丝绳用-个单元来模拟的钢丝绳静力学问题非常必要，因此使用 linkl0单元来模拟各拉索的实际结构。所有单元假定为弹性单元 ，并且不考虑结构阻尼，所建立的起重臂有限元模节点数共计 138个，单元数共计 362个。

在建立快架塔起重臂的有限元模型时，为了保证所建立的起重臂模型真实准确和可操作性 ，需要充分考虑以下几个方面：①假设 方向为沿着起重臂的水平方向，'，方向为沿着垂直于起重臂的竖直方向，z方向为垂直于起重臂臂架的水平方向；②模型应能全面、准确反映起重臂在工作状态下的变形和应力特点；③模型应与实际形状旧能地保持几何上 的相同，但是对静力学分析影响不大的局部结构可适当做些简化，比如可以忽略部件的-些微小特征，如连接耳板、连接销轴和筋板等；④因为变幅小车在实际工作中沿着起重臂下弦杆的上表面和外轮廓面行走，因此将下弦杆的位置做微小移动以此来更加真实的模拟变幅小车的实际运行状况；⑤因为快架塔起重臂根部经由连接销轴与塔身顶部可靠连接，所以快架塔的起升平面内可以简化为固定铰支座 ，而尾拉索-端通过销轴与尾拉索撑架连接，另-端通过销轴连接于转台上，因此可以简化为固定铰支座。最终所建模型如图 3所示。

3 起重臂静力学分析依据 GB/T 13752-1992 塔式起重机设计54 201 3(07)建筑机械化规范 ，在对起重臂进行静力学分析时需要综合考虑的载荷包括以下 5种 ：① 自重载荷 ：包括起重臂本身的结构、工作机构的重力载荷；②起升载荷：起重臂起 吊的总起升重量；③冲击载荷 ：由于变幅小车运行轨道不平整所发生的运行冲击载荷；④风载荷：假定沿着起重臂最不利的水平方向作用的静力载荷 ；⑤温度载荷：在高温环境或者低温环境下需要加以考虑。

由于篇 幅所 限，本 文拟选取两种最典型T况对起重臂进行静力学计算分析：工况-考虑风载，起重臂最大工作幅度 (20m)加载额定起重量 (700kg)；工 况二考虑风载，最 大起重量(1 500kg)加载于对应工作幅度处 (9.94m)。

根据 塔式起 重机 的相 关设计 知识可知，风侧向吹向起重臂时最为不利，此时可以把风载荷以等效集中力的方式均布施加在臂架侧面框架各个节点上；起重臂的白重以重力加速度的方式施加；展臂机构和变幅机构的 自重以集中力的形式加载到相应节点上。

使用 ANSYS有限元分析软件，对应于工况和工况二 ，对快架塔的起重臂进行有限元分析。从分析结果可以得 出，两种工况下最大应力基本相同，皆出现在展臂机构固定在起重臂-节臂处的弦杆处，最大应变出现在起重臂端部，工况-下为 315mm，而工况二下为 139ram。

为了更进-步验证设计的可靠性，参考工况-的应力云图 (图4)，提取工况-对应的-节臂展臂机构固定处、起重臂变截面处 (臂架由矩形截面变换为三角形截面处)、三节臂根部三处的上 、下弦杆的受力情况进行更进-步的说明，可以得出如下结论：起重臂-节臂上安装有展臂机构的附近区域受力较大，上弦杆最大应力为163MPa，如图5所示 A处；起重臂变截面处 (由矩形截面变换为三角形截面处 )的上、下弦杆受力比较稳定，应力在 45～85MPa内，最大应力出现在上弦杆处，为 83.9MPa，如图6所示 B处；三节臂根部上弦杆最大应力为 65.4MPa，如图 7所示 C处。