塔式起重机标准节内力分析❋

2013-09-04王文浩毛晓菲叶学华秦义校

机械工程与自动化 2013年6期

关键词：腹杆塔身立柱

王文浩，毛晓菲，叶学华，秦义校

（1．太原科技大学机械工程学院，山西太原 030024；2．西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129；3．西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安 710129）

0 引言

塔式起重机有很高的塔身和很长的臂架，可以提供一个很大的施工范围，因此广泛应用于建筑施工和工业起重领域。塔身一般由很多个标准节组成，每一个标准节的拓扑形状、几何尺寸、截面类型和安装方法都是相同的。因此在设计塔身时，可以先从分析标准节入手。

1 塔身建模和位移约束

1．1 塔身建模

塔身标准节模型尺寸为1．3mm×1．3mm×2．2 mm，标准节由主弦杆和腹杆构成，腹杆又分为斜腹杆和直腹杆。根据塔身的受力特点（即外力主要作用在节点上，在杆件上很少有外力作用），标准节可以简化为只对两个节点受力的link单元进行分析，这样塔架就简化为空间桁架。本文考虑了塔身自重的影响，杆件上有均布荷载，所以采用空间梁单元Beam188建模，这样更接近实际情况。选用单元建模不仅提高了计算精度，而且可以显示单元的实际截面形状。塔身建模的主要命令如下：

n，1，650，0，－650

n，2，650，0，650

n，3，－650，0，650

n，4，－650，0，－650

n，5，650，100，－650

n，6，650，100，650

n，7，－650，100，650

n，8，－650，100，－650

n，9，650，1200，－650

n，10，650，1200，650

n，11，－650，1200，650

n，12，－650，1200，－650 n，13，650，2300，－650

n，14，650，2300，650

n，15，－650，2300，650

n，16，－650，2300，－650

n，17，650，2400，－650

n，18，650，2400，650

n，19，－650，2400，650

n，20，－650，2400，－650

e，1，5

e，2，6

e，3，7

e，4，8

e，5，9

e，6，10

e，7，11

e，8，12

e，9，13

e，10，14

e，11，15

e，12，16

e，13，17

e，14，18

e，15，19

e，16，20

e，5，6＄e，9，10＄e，13，14

e，6，7＄e，10，11＄e，14，15

e，7，8＄e，11，12＄e，15，16

e，5，8＄e，9，12＄e，13，16

e，5，10＄e，10，13＄e，6，11

e，11，14＄e，7，12＄e，12，15

e，8，9＄e，9，16＄e，9，11

e，13，15 ＄ e，5，7

建好的标准节模型如图1所示。

使用命令“／eshape，1”可以显示标准节的实际模型图，如图2所示。

1．2 位移约束

根据塔式起重机与地面的实际锚固情况，在底部4个节点分别施加约束，节点1在Y方向和Z方向施加约束，节点2在Y方向，节点3在X和Y方向，节点4在X、Y和Z方向施加约束。

图1 标准节模型

图2 标准节的实际模型

2 塔机工况

本文考虑如下3种载荷工况对塔机塔身标准节的影响。

工况1：在满载情况且塔机臂架与塔身腹杆平行时，塔身承受130kNm的弯矩和200kN的压力。在满载情况下考虑塔机在起重臂一侧倾覆的可能性最大，因此取起重臂一侧的立柱与地面的交点为转动中心。这样在4个立柱上力的分配为：起重臂一侧19号和20号节点承受压力150kN，靠近平衡臂一侧的17和18号节点承受拉力50kN。

工况2：在满载且塔臂在45°方向时，靠近平衡臂一侧的17号节点承受拉力30．7kN，中间立柱顶端的18和20号节点承受压力40kN，靠近起重臂一侧的立柱顶端19号节点承受110．7kN的压力。

工况3：当塔臂在水平面内回转时，标准节会产生扭转作用。由塔臂的平衡重、起重物重以及塔臂自重，根据塔臂的回转速度可以计算出启动瞬间的角加速度，进一步可求出标准节承受的扭矩为5 000Nm。由文献［1］知可将扭矩平均分配给4根立柱，这样每根立柱承受的力分解在X和Z方向各为961．54N，分别作用在标准节的17、18、19、20号节点。

3 各个工况下的变形和内力分析

3．1 工况1

首先通过“／post1”进入后处理模块，然后通过“set，1，1”选择第一载荷步也就是工况1。输入命令“pldisp，2”，这样就可同时显示出标准节在变形前（虚线）、后（实线）的图形，如图3所示。

输入以下命令提取各杆件的内力：

etable，smisc31，smisc，31

etable，smisc36，smisc，36

plls，smisc31，smisc36

其中：命令“etable，smisc31，smisc，31”定义起始端的轴向应力SDIR的单元表smisc31；“etable，smisc36，smisc，36”定义终止端的轴向应力SDIR的单元表smisc36；命令“plls，smisc31，smisc36”图形显示单元轴向应力分布。得出的在工况1下标准节的轴向应力如图4所示。