QTZ25塔式起重机静力仿真分析

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摘要： 结合某qtz25塔式起重机的工程实例，运用大型有限元软件ANSYS建立了塔式起重机结构的有限元模型，并对其进行了静力分析，获得结构在在三种常用工况下的应力和变形情况，结果表明：结构的强度满足要求，但是结构的竖向位移较大，应该加大结构的刚度以减小其位移。

Abstract： Combined with a QTZ25 tower crane engineering examples， the ANSYS software is used to establish its structural finite element mode， static performance of models are comparative analyzed， and stress and deformation of the model under three common conditions are obtained， the results show that： the structure meet the requirements of strength， but the vertical displacement of the structure is large， it should increase the stiffness of the structure in order to reduce its displacement.

关键词： 塔式起重机；ANSYS；静力分析

Key words： tower crane；ANSYS；static analysis

中图分类号：TH213.3 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0048—03

0 引言

塔式起重机是一种常用的起重机械，广泛运用于建筑施工和工业起重中。塔机的支撑体系是金属结构部分，其强度和刚度对塔机工作的安全性和可靠性起着决定性的作用。本文结合某QTZ25塔式起重机的工程实例，运用大型有限元软件ANSYS建立了塔式起重机结构的有限元模型，并对其进行了静力分析，获得结构在在三种常用工况下的应力和变形分布情况，结果表明，结构的强度满足要求，但是结构的竖向位移较大，应该加大结构的刚度以减小其位移。

1 有限元模型

1.1 塔机参数 塔机的工作高度为25m，臂长30m，节间尺寸为：1.3×1.3×1.2m，最大额定起重为2.5t。杆件截面参数为：塔身立柱及吊臂上弦杆采用Φ200×15mm空心圆钢管；塔臂腹杆采用Φ60×4mm空心圆钢管；塔身水平杆及斜腹杆采用Φ100×5mm空心圆钢管；塔顶部分立柱采用Φ250×15mm空心圆钢管；吊臂下弦杆即水平横梁采用80×200×8mm的空心矩形钢管；斜拉索采用Φ50mm的实心圆钢管。钢材均采用Q235B，其弹性模量为2.0×105N/mm2，屈服强度为215N/mm2，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3。

1.2 有限元模型建立 由于杆件数目较多，结构较为复杂，在建模过程中做一下简化：①塔身、塔顶、塔臂和平衡臂之间的连接比较复杂，在建模过程中采用共用节点法进行简化[1—2]；②为平衡塔机起吊物重力，在平衡臂位置布置了平衡重物、配电装置及动力装置，在建模过程中，通过加大平衡劈及端部矩形框截面面积，控制其对整个塔机的配种相等的原则进行简化。

塔身和塔臂杆件均用三维梁单元BEAM4单元模拟，斜拉索采用LINK10单元模拟，只考虑其受拉，不承受压力[3—4]。采用直接建模法建立了塔式起重机的有限元模型，约束塔底立杆的全部自由度，塔身不与其它结构连接，为一个独立塔结构。结构的有限元模型如图1所示，整个模型共用840个单元，337个节点。

2 静力作用下内力及位移计算

2.1 工况介绍 塔式起重机在起吊重物质量不同或起吊位置不同时，其受力情况不同，本文根据塔吊实际使用情况，选择以下三种常见工况进行静力性能分析，如表1所示。

2.2 应力计算结果及分析 三种工况下塔机的最大应力图和最小应力图如图2～图4所示，从图中可以看出：工况一作用下，塔机的最大轴向拉应力和最大轴向压应力均在塔臂根部的两根斜杆上取得，最大拉应力值为155.712MPa，最大压应力值为173.89MPa；工况二作用下，塔机的最大轴向拉应力和最大轴向压应力均在塔臂根部的两根斜杆上取得，最大拉应力值为155.983MPa，最大压应力值为161.945MPa；工况三作用下，塔机的最大轴向拉应力在塔臂端部荷载作用位置处的斜腹上取得，应力值为163.734MPa，和最大轴向压应力塔臂根部的两根斜杆上取得，最大压应力值为151.433MPa。从以上计算结果可以看出，在三种工况下，结构的最大应力基本在塔臂根部的斜杆上取得，而且其最大应力均小于钢材的屈服强度。

2.3 位移计算结果及分析 三种工况下塔机的变形图如图5所示，从图中可以看出塔臂端部位移最大，提取其最大总位移值及最大竖向位移如表2所示，从表中可以看出三种工况下最大总位移与最大竖向位移非常接近，说明在吊车正常使用时，竖向位移起控制作用；在工况三作用下的竖向位移最大，为315.567mm，说明结构产生了较大变形，应该增加结构的刚度以减小其竖向位移。

3 结论

3.1 在三种工况下，结构的最大应力基本在塔臂根部的斜杆上取得，而且其最大应力均小于钢材的屈服强度，满足强度条件要求。

3.2 三种工况下最大总位移与最大竖向位移非常接近，说明在吊车正常使用时，竖向位移起控制作用。

3.3 在工况三作用下的结构产生了较大变形，应该增加结构的刚度以减小其竖向位移。

参考文献：

[1]王进，陈进，周宁波.塔式起重机吊臂结构的可视化计算方法[J].建筑机械，2003（5）：43—46.

[2]金玉萍.QTZ63塔式起重机有限元分析[J].浙江工业大学学报，2010，38（3）：242—245.

[3]王武奇.QTz630型塔式起重机结构有限元分析及地震影响研究[D].西安：长安大学，2009.

[4]邢进忠，王永岗，陈晓霞.ANSYS分析实例与工程运用[M]. 北京：机械工业出版社，2004.