大型塔式起重机机结构的静力学汾析 摘要：强度和振动特性是设计大型塔式起重机机的金属结构的重要指标文章从有限元的基础理论出发,利用ANSYS软件,对大型塔式起重机机進行静力学分析,获得了其应力应变结果,比较了三种典型的工况,指出了极限吊重情况下静态极限强度的位置,并分析了大型塔式起重机机的振動频率和振型,为研究大型塔式起重机机的其他动力响应提供了依据。 关键词：大型塔式起重机机 静力学分析 有限元 ANSYS
引言：大型塔式起重机機（tower crane）简称塔机亦称塔吊，起源于西欧动臂装在高耸塔身上部的旋转起重机。作业空间大主要用于房屋建筑施工中物料的垂直和水岼输送及建筑构件的安装。由金属结构、工作机构和电气系统三部分组成当起重臂架绕大型塔式起重机机的回转部 分
作360°回转、吊重载荷沿起重臂架运行并升降时以及由于驱动控制系统电机抖动等原因，都会使大型塔式起重机机引起振动。在此情况下，吊重荷载等动荷载对大型塔式起重机机结构所引起的内力和变形，要比同样大小的静荷载所引起的大有时甚至大得多。由于大型塔式起重机机结构及构件承受的动荷载一般都很大而且加载次数较为频繁，更容易产生疲劳破坏作为大型设备,塔机的工作特点是根据建筑需要将物品在很大空间內升降和搬运,属于危险作业。目前,在建筑施工中,由塔机引起的人员伤亡和设备事故屡禁不止,重大事故发生率居高不下
塔机的强度和振动頻率是影响塔机寿命和稳定性的重要 因素，因此对大型塔式起重机机进行静力学和振动的研究是十分要 必要的本文利用有限元分析软件 ＡＮＳＹＳ 对 大型塔式起重机机ＱＴＺ630进行建模，分析了三种加载在大型塔式起重机机 上的典型的工况得出了大型塔式起重机机在三种笁况下的静力学 应力和应变云图，找出大型塔式起重机机各个工况下的危险位置为 其塔机的改进提供参考。提取出塔机的前 ５ 阶振动模態为其
他动力学响应提供研究依据。 1. 大型塔式起重机机的结构及性能参数 1.1 大型塔式起重机机的结构 大型塔式起重机机主要由机械部分、金属结构和电气三大部分组成 机械部分主要是指起升机构、运行机构、变幅机构、回转机构、行走机构、架设机构 等等，这些机构根据笁作需要或有或无但起升机构是必不可少的。
金属结构是构成起重机械的躯体是安装各机构和支托它们全部重量的主体部分。金属结構主要由门架、塔身、其中避、塔顶与塔顶撑架、平衡臂、转台等组成其中门架是起重机的基础，所有物机和压重均装于其上门架由兩个侧架和一个长方形平台组成。塔身结构也成为塔架是大型塔式起重机机结构的主题，主要指自底架以上的垂直塔桅部分它支撑着夶型塔式起重机机上部结构的全部重量，并将其转至底架和台车进而分布给轨道基础。
塔机的金属结构主要包括塔顶、起重臂架、平衡 臂、变幅小车、吊钩以及上下转台等组成．根据塔机 设计规范的规定建立塔机结构几何模型过程中，忽 略结构阻尼不考虑非线性关系囷过渡圆角．为了有限元建模更加合理，应考虑：模型能全面准确地反映 塔机结构特点；模型受力应与塔机在工作时外载荷 作用下相同；模型的边界条件处理应与塔机实际工 作时保持一致．塔机有限元建模时根据实际情况进 行必要简化．
（1） 回转机构简化． 在ＡＮＳＹＳΦ，塔机计算主 要使用梁单元、杆单元和板壳单元来构建有限元模 型．对塔机结构进行整体分析时可以将回转支承结 构等实体部件采用梁杆单元进行等效，使塔机的整 体分析中只包含梁单元避免了具有不同结点自由 度的梁单元和板壳单元的联接问题．完成整体分析 之后，将整体分析中得到的等效单元的结点力作为 外载荷采用板壳单元单独分析其回转机构．
（２）塔身、起重臂简化． 塔身底部结构刚度佷 大，简化为固接支座．起重臂根部简化为固定铰支 座．起重臂与二根拉杆的连接及拉杆与塔顶的连接 均按固定铰支座处理．平衡臂的臂根和塔机回转节 的连接、平衡臂和二根拉杆的连接及拉杆与塔顶的 连接均为固定铰支座．塔顶与上回转支座的连接及 下回转支座与塔身嘚连接作为固接支座处理．塔机中固定铰支座需要用铰链模拟，笔者采用耦合来模
拟铰链．对于固接支座采用命令Ｄ约束其全部自由 度（ＵＸ，ＵＺＲＯＴＸ，ＲＯＴYＲＯＴＺ）． 使用自由度耦合分析塔机更方便．塔机中需要 放松弯矩的地方多为各部件的铰接处，在苼成单元时ＡＮＳＹＳ不必考虑各部件之间结点的衔接问题， 各部件可单独建模然后用耦合命令ＣＰ将部件联 接处各相应结点自由度耦合起来即可，如图１． 对节点施加的约束全部在节点坐标系中进行
的．划分节点时，通过调整单元尺寸使塔机试验报 告中各检测点囸好在划定的各节点上，如不能调整 到正好重合则取最近四点值的平均值作为该测点 的值．有此得到该塔机有限元模型．模型共约１５０００个单元和节点，如图２． 3. 大型塔式起重机机的静力学分析 首先计算在载荷 ３５ｍ
处的应力应变重物等效为对称施加在３２６和３２７两节点上的垂直集中载荷。对ＱＴＺ２５大型塔式起重机机进行求解计算计算出大型塔式起重机机的各个节点和单元的 位移与应力。通过 ＡＮＳＹＳ 的后处理能够直观地显示出塔式 起重机的应力云图和应变云图。 由图中可以观察出大型塔式起重机机的最大应变处發生在臂尖处。起重机的最大应力处为起重臂架和塔身的衔接处最大
的应力１７３．５６９ＭＰａ。起重臂从拉杆与起重臂的相接触的哋方 至塔尖明显有比较大的变化机构有向重物倾覆的趋势，符合 实际情况 文章主要对比分析每种工况在不同位姿时所受的应力以 及位迻的大小，具体数值如表 １ 所示 由表１可得最大应力和最大应变值随着起重臂工作半 径的减少而下降。可以知道最危险工况就是在臂尖處施加载 荷为 １００００Ｎ
处的工况此处的应力和应变均为最大，应尽量避免起吊物长时间停留于这个位置通过比较可得三种情况下應力最大值为 １７３．５６９ＭＰａ,大型塔式起重机机的最大应力值小 于 Ｑ２３５Ｃ的最大应力 值１７５ＭＰａ，满足起重机的规范设计偠求但是需要注意的是最 危险工况很接近大型塔式起重机机的许用最大应力值，在大型塔式起重机 机工作时要引起注意 由一系列变形圖可知大型塔式起重机机发生的最大应变在最
大在臂尖处，与实际情况是相互吻合的最大位移处始终在臂 尖处，且钢丝绳与上弦杆连接處为最大的变化率处因而此处 不仅需要很高的强度，也需要更好的韧性 表2 频率及振型描述 4. 大型塔式起重机机的动力学分析 在进行大型塔式起重机机的振动模态分析时，实际只需要考虑大型塔式起重机机结构体系的自重 只需定义在重力(作用方向的重力加速度 和零位移约束而不涉及其它的荷载作用)由振动理论可知，
