塔式起重機(jī)臂架的有限元分析

塔式起重機(jī)臂架的有限元分析

0塔機(jī)臂架的有限元分析塔式重型機(jī)器（以下簡(jiǎn)稱塔機(jī)）是一種重要的制造機(jī)械。由于其工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)頭大、施工高度高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為施工中的主要樹種之一。塔機(jī)臂架(即塔機(jī)的工作裝置)是塔機(jī)的重要組成部分,它是靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來完成物料吊卸的空間桁架結(jié)構(gòu),其設(shè)計(jì)水平的高低直接影響整機(jī)的工作性能。塔機(jī)臂架作為塔機(jī)的工作裝置,在塔機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)內(nèi)容中處于核心地位,但其傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法普遍是依據(jù)材料力學(xué)中的許用應(yīng)力校核原理得出的,真正分析的對(duì)象僅僅是臂架結(jié)構(gòu)的截面形狀和面積等參數(shù)。由于受工作量限制,該方法只能驗(yàn)算幾個(gè)在理論上認(rèn)為是危險(xiǎn)的截面,計(jì)算的精度從建模開始就受到限制,不僅工作量很大并且具有一定的盲目性,已不能適應(yīng)由激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)造成的最短周期產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,目前國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造都離不開有限元分析(FiniteElementAnalysis,FEA)計(jì)算,在工程設(shè)計(jì)和分析中受到越來越廣泛的重視,其計(jì)算結(jié)果不僅詳盡,而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)計(jì)算將會(huì)極大地提高設(shè)計(jì)效率、保證其設(shè)計(jì)質(zhì)量。設(shè)計(jì)者只需借助通用有限元軟件建立模型并進(jìn)行仿真分析,就能真實(shí)地反映機(jī)械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程,并進(jìn)行各種類型的力學(xué)分析,盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,從而有效地縮短研發(fā)周期,降低生產(chǎn)成本,使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更加合理。本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對(duì)塔機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速校核分析。1靜態(tài)有限元分析塔機(jī)在工作過程中絕大部分的載荷來自自重和吊重的作用,還包括慣性載荷、風(fēng)載荷等。但是無論這些外界載荷作用點(diǎn)在塔機(jī)的什么部位,最終都要傳遞給塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu),因此,鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能很大程度上決定了整機(jī)質(zhì)量的好壞。作為工作裝置的臂架鋼結(jié)構(gòu)更是如此,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等性能是塔機(jī)整體鋼結(jié)構(gòu)最為核心的內(nèi)容。為了考察臂架鋼結(jié)構(gòu)有限元分析的效果,本文嘗試對(duì)QTZ40塔機(jī)的臂架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度和模態(tài)特性分析。靜態(tài)有限元分析是計(jì)算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),它不考慮慣性和阻尼的影響以及結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的載荷情況,通過結(jié)合有限元理論,從靜力學(xué)、幾何學(xué)和物理學(xué)三方面對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,計(jì)算節(jié)點(diǎn)在載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移,從而在塔機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期全面了解其在不同工況下的強(qiáng)度狀況,確定應(yīng)力、應(yīng)變危險(xiǎn)點(diǎn),同時(shí)也能為塔機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析指導(dǎo)。模態(tài)特性分析也是有限元分析中的重要內(nèi)容,它主要用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性,同時(shí)也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法對(duì)處于設(shè)計(jì)階段的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析主要采用計(jì)算方法和模態(tài)參數(shù)識(shí)別實(shí)驗(yàn)法,以獲得相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)。通常需求的模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等,其中最重要的是頻率、振型和阻尼比。對(duì)于無阻尼系統(tǒng)需求的模態(tài)參數(shù)就是固有頻率和振型,這兩個(gè)參數(shù)對(duì)于識(shí)別和改善結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性有著重要的意義,因?yàn)樗砻髦谀膸追N頻率下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生共振以及在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形。但是由于塔機(jī)臂架體積大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜,屬于多自由度系統(tǒng),而多自由度系統(tǒng)振動(dòng)時(shí),同時(shí)有多階模態(tài)存在,每階振動(dòng)模態(tài)就要用一組模態(tài)參數(shù)來確定。故而采用傳統(tǒng)方法對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析具有一定難度。應(yīng)用有限元分析的方法很好地解決了這一問題。2梁?jiǎn)卧慕⒁阅硰S生產(chǎn)的QTZ40塔機(jī)為例,筆者在有限元分析軟件ANSYS中建立塔機(jī)臂架的有限元模型。建立的臂架金屬結(jié)構(gòu)采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235,該材料的彈性模量由于塔機(jī)臂架的實(shí)際結(jié)構(gòu)主要是由桁架焊接成的,且?guī)缀文Ｐ秃軓?fù)雜,結(jié)合其實(shí)際受力特點(diǎn),有限元模型的單元類型選擇彈性三維梁?jiǎn)卧狟EAM4。BEAM4是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度:在建模過程中,為了保證臂架模型的有效完整和實(shí)際的可操作性,筆者做了以下三點(diǎn)處理。1)臂架主弦桿和腹桿的每個(gè)連接點(diǎn)都根據(jù)實(shí)際尺寸建立了節(jié)點(diǎn),另外每段臂節(jié)的連接點(diǎn)也建立了節(jié)點(diǎn),保證有限元模型與塔機(jī)在幾何上相同。2)對(duì)結(jié)果影響不大的局部結(jié)構(gòu)(如鋼絲繩、吊鉤等)由于它們的質(zhì)量與整個(gè)臂架相比顯得很小,為建立模型方便可以不用考慮。3)臂架根部是通過銷軸與塔機(jī)的回轉(zhuǎn)節(jié)相連的,故在臂架起升平面可認(rèn)為是固定鉸支座;兩個(gè)吊點(diǎn)位置是通過銷軸將拉桿與臂架相連的,經(jīng)過分析,可以看出拉桿對(duì)臂架的位移限制僅限于豎直方向,故吊點(diǎn)位置僅施加豎直方向的位移約束。在約束載荷施加于物理模型之后,完整的臂架模型就建好了,如圖2所示,所有單元均視為彈性單元,不計(jì)結(jié)構(gòu)阻尼。此模型具有134個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù),365個(gè)梁桿單元數(shù)。3靜力學(xué)性能分析靜力學(xué)強(qiáng)度分析是任何機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的重要方面,其主要目的是要確定結(jié)構(gòu)在靜力條件下受指定載荷、溫度和約束時(shí)的應(yīng)力和位移分布。為了保證結(jié)構(gòu)能正常工作,必須滿足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等方面的要求?？梢哉f,應(yīng)力、應(yīng)變分析是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的基本內(nèi)容,而臂架的靜強(qiáng)度分析主要任務(wù)就是計(jì)算在固定不變載荷作用下結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力、應(yīng)變及反力等的大小,即討論臂架結(jié)構(gòu)受到外力后的變形、應(yīng)力和應(yīng)變,以便對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校核,保證結(jié)構(gòu)既安全、正常工作,又符合經(jīng)濟(jì)性的要求。結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和工程經(jīng)驗(yàn),塔機(jī)臂架靜強(qiáng)度分析計(jì)算時(shí)需要考慮的主要載荷如下。1重復(fù)使用臂架自身金屬結(jié)構(gòu)、各工作機(jī)構(gòu)和附屬設(shè)備自重引起的重力載荷,是臂架最主要的載荷。2提升負(fù)荷是起升質(zhì)量即塔機(jī)總起重量的重力?？紤]工況的不同,筆者施加的起升載荷也會(huì)不同。32損壞塔機(jī)或其起重小車運(yùn)行時(shí),由于軌道不平整而產(chǎn)生的沖擊載荷以運(yùn)行沖擊系數(shù)乘以自重載荷和起升載荷加以考慮。這里取沖擊系數(shù)為1.1。42工作狀態(tài)的風(fēng)負(fù)荷,其中,5臂架前端加載1t工況分析在高溫或低溫環(huán)境下需要加以考慮。根據(jù)QTZ40型塔機(jī)的工作特點(diǎn),筆者在這里分五種工況進(jìn)行模擬計(jì)算分析,分別是前端加載1t、外拉桿節(jié)點(diǎn)附近加載1.2t、兩拉桿中間加載2.2t、內(nèi)拉桿附近加載4t和最近端加載4t(圖2中①～⑤)這五種不同工作情形。盡管工況不同,但分析的方法和過程都是一致的。限于篇幅,筆者以前端加載1t工況為例做簡(jiǎn)要介紹。此工況施加載荷后的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。計(jì)算中載荷施加情況和采用的單位如下。臂架前端施加的載荷簡(jiǎn)化為沿整體坐標(biāo)系-定義一個(gè)沿著臂架模型重力方向(本文是沿整體坐標(biāo)系-風(fēng)載以面壓力的形式加在臂架架體迎著風(fēng)向的受力面上;根據(jù)理論計(jì)算分析,在塔機(jī)工作時(shí),風(fēng)側(cè)向吹時(shí)最為不利,因此這里僅考慮側(cè)向風(fēng)載荷。本文中計(jì)算值單位:圖3中的應(yīng)力數(shù)值單位為MPa,變形數(shù)值單位為mm。通過對(duì)圖3所示前端加載1t工況下計(jì)算總體應(yīng)力圖結(jié)果進(jìn)行分析,其中最大應(yīng)力為69.45MPa,小于角鋼的許用應(yīng)力,故臂架所受靜強(qiáng)度低于材料的強(qiáng)度極限,滿足設(shè)計(jì)時(shí)的性能要求。由此可見,根據(jù)實(shí)際所用的型材情況并結(jié)合空間桁架結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),用不同截面的梁?jiǎn)卧M來模擬塔機(jī)臂架整體結(jié)構(gòu),最終可以建立出合理的有限元模型。在這個(gè)模型的基礎(chǔ)上,用不同的節(jié)點(diǎn)約束來簡(jiǎn)化模擬臂架工作時(shí)與塔機(jī)主體的連接情況,并施加完整的載荷進(jìn)行靜力學(xué)求解,可以很好地分析出臂架的整體應(yīng)力分布等特性,從而可以在臂架初步設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)其受力特性進(jìn)行合理的評(píng)定。4避免共振的特性塔機(jī)的臂架結(jié)構(gòu)在工作時(shí),由于起重小車運(yùn)行時(shí)的軌道不平整、電動(dòng)機(jī)的突然啟動(dòng)和停止以及風(fēng)載等眾多因素影響,不可避免地受到?jīng)_擊動(dòng)載荷的作用,這時(shí)結(jié)構(gòu)將承受強(qiáng)烈的沖擊振動(dòng),當(dāng)這種振動(dòng)與自身固有頻率相等時(shí),要發(fā)生共振現(xiàn)象,使振幅變大,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生很大的動(dòng)應(yīng)力,從而破壞結(jié)構(gòu),嚴(yán)重危及到人身安全。因此在塔機(jī)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)中,動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的要求越來越迫切。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的核心,在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題的一個(gè)重要目的是避免共振。具體的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成是多自由度的振動(dòng)系統(tǒng),具有多個(gè)固有頻率,在阻抗試驗(yàn)中表現(xiàn)為有多個(gè)共振區(qū),在幅頻特性曲線中表現(xiàn)為有多個(gè)峰值。這種在自由振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)所具有的基本振動(dòng)特性就稱之為結(jié)構(gòu)模態(tài)。在對(duì)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),由于求解的是其固有特性(固有頻率和固有振型),與所受外力無關(guān),故可忽略外部載荷的作用。筆者在所建立的ANSYS塔機(jī)臂架模型上,采用子空間方法(subspace)提取了臂架的前六階模態(tài),結(jié)果如圖4所示。從計(jì)算的各階振型來看,臂架的二階及五階振型都表現(xiàn)為臂架扭轉(zhuǎn),整個(gè)臂架繞主參考坐標(biāo)系得出臂架的各階模態(tài)有很大的現(xiàn)實(shí)意義,既可以用其指導(dǎo)塔機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì),也可以對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果予以檢驗(yàn)。例如,一般塔機(jī)的風(fēng)載頻率在0.25Hz左右變化,與臂架的前幾階振型固有頻率有可能相近,如果這樣會(huì)引起塔身的扭轉(zhuǎn)共振,所以在設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)人員必須努力避開這個(gè)頻率。本文的研究對(duì)象很好地做到了這一點(diǎn)。塔機(jī)的頂升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)以及起升機(jī)構(gòu)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)激勵(lì)頻率也是必須要考慮的重要因素,設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)真地與有限元分析得出的結(jié)果進(jìn)行比對(duì),使得這些電動(dòng)機(jī)的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)離塔機(jī)各主要部件的固有頻率,以免共振現(xiàn)象的出現(xiàn),產(chǎn)生設(shè)計(jì)缺陷。由臂架的固有頻率和外激勵(lì)頻率可知,其前四階頻率及主振型可以很好地描述臂架結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性,所以可以得出結(jié)論:對(duì)塔機(jī)臂架的模態(tài)分析,只需要側(cè)重于對(duì)前四階固有頻率及主振型的計(jì)算就可以有效地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。5靜力與模態(tài)特性本文運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)某廠生產(chǎn)的QTZ