塔式起重机踏步有限元分析

左琦

【摘  要】塔式起重机作为重要的起重工具，具有非常广泛的应用范围。从塔机的技术发展方面来看，虽然新的产品层出不穷，新产品在生产效能、操作简便、保养容易和运行可靠方面均有提高，但作为特种设备，其事故频发，安全性一直备受关注，而塔机的拆装是事故的多发阶段，因塔機拆装中踏步的强度不够造成事故很多。为了进行合理的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。通过对踏步强度问题的有限元分析，对于踏步的受力有了更深的理解，同时它对提高产品安全性能和质量有重要的意义。

【关键词】有限元;塔机;踏步

1 引言

塔式起重机是任何一个大型建筑工地中的常见设备。它是那么的显眼——常常耸入云霄几十米，而且“胳膊”伸出那么远。随着国家加大在交通运输、水利水电工程、高铁、电力等工程的投入以及装配式建筑的快速发展，对塔机需求量越来越大的同时，对塔机的要求也越来越高。要求塔机的工作幅度和大幅度处起吊的重量越来越大的同时，还要保证安装和拆卸方便。建筑工人用塔式起重机来提升钢材、水泥，诸如乙炔炬和发电机之类的大型工具，以及其他各种不同的建筑材料），而塔机可以架设这么高，是通过自身顶升，顶升横梁挂在塔身的踏步上到活塞杆全部伸出，套架上的爬爪搁在踏步上，套架爬升连续加标准节。但在爬升的过程中，由标准节两边的踏板承受塔机上部的重量。踏板强度如果不能满足要求，将会出现重大安全事故。因此，必须知道踏板受力最大处，加以分析。众所周知，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。本论文问题设计到踏板静力结构分析，对于结构理论的研究具有重要的意义。

2 结构分析概述

结构分析中，结构静力分析是计算在固定载荷作用下对结构的影响，以及那些可以近似为等时间变化的载荷。它不考虑惯性和阻尼的影响，如结构受随时间变化较大载荷作用的情况。结构分析需要较大的计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。ANSYS是一种应用广泛的商业套装工程分析软件，主要应用于机械结构系统受到外力载荷时所出现的反应，例如应力、位移、温度等。根据该反应可知道机械机构系统受到外力载荷后的状态，进而进行判断是否符合设计要求。一般的机械结构系统的几何结构相当复杂，收到的载荷也相当多，理论分析往往赴法进行。想要得到答案必须先简化结构，采用数值模拟的方法进行分析。ANSYS软件通过对分析对象划分网格并求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量，其分析过程包含了前处理、加载求解、后处理3个主要步骤。结构要确定几点：其一，确定踏步承受力的大致级别;其二，确定选用那种方式划分网格;其三，确定建立单元。

2.1 结构静力问题的分类

结构静力问题是静力载荷作用下结构的静态行为问题，可以考虑结构的线性和非线性特性。非线性特性包括大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹、蠕变等。

2.2 ANSYS分析结构问题的能力

ANSYS具有强大的建模能力、求解能力、网格划分能力、非线性分析能力、优化能力、后处理能力，其静力结构分析，通过基本未知量是位移，其他未知量如应力、应变和反力等均通过位移量导出。

2.3 ANSYS使用的实体单元

实体单元也是实际工程中使用最多的单元类型。常用的实体单元类型solid45，solid92，solid185，solid187这几种.其中把solid45，solid185可以归为第一类，他们都是六面体单元，都可以退化为四面体和棱柱体，单元的主要功能基本相同。Solid92，solid187可以归为第二类，他们都是带中间节点的四面体单元，单元的主要功能基本相同。

如果所分析的结构比较简单，可以很方便的全部划分为六面体单元，或者绝大部分是六面体，只含有少量四面体和棱柱体，此时，应该选用第一类单元，也就是选用六面体单元;如果所分析的结构比较复杂，难以划分出六面体，应该选用第二类单元，也就是带中间节点的四面体单元。

选用了第一类单元类型（六面体单元），但是，在划分网格的时候，由于结构比较复杂，六面体划分不出来，单元全部被划分成了四面体，也就是退化的六面体单元，这种情况，计算出来的结果的精度是非常糟糕的，有时候即使把单元划分的很细，计算精度也很差，这种情况是绝对要避免的。

六面体单元和带中间节点的四面体单元的计算精度都是很高的，他们的区别在于：一个六面体单元只有8个节点，计算规模小，但是复杂的结构很难划分出好的六面体单元，带中间节点的四面体单元恰好相反，不管结构多么复杂，总能轻易地划分出四面体，但是，由于每个单元有10个节点，总节点数比较多，计算量会增大很多。

通常情况下，同一个类型中，各种不同的单元，计算精度几乎没有什么明显的差别。选取的基本原则是优先选用编号高的单元。比如第一类中，应该优先选用solid185。第二类里面应该优先选用solid187。ANSYS的单元类型是在不断发展和改进的，同样功能的单元，编号大的往往意味着在某些方面有优化或者增强。

对于实体单元，总结起来就一句话：复杂的结构用带中间节点的四面体，优选solid187，简单的结构用六面体单元，优选solid185。

3 结构问题求解

本论文的塔式起重机的踏步，在塔机顶升时有两个同时作用，由于模型和载荷都是轴对称的，可以用轴对称方法进行分析，只对其中一个进行分析。踏步固定在标准节主肢上。主肢和踏步用同一种材料，其性质如下：弹性模量：EX=2.06e11;泊松比：NUXY=0.3;主肢为两角钢扣方，角钢为200X24;踏步厚H=70;顶升时踏步承受载荷50t。本论文分析的问题中涉及到大变形，故选用Solid实体单元10 node187类型来建立十节点四面体实体结构单元的模型。图1为建立的踏步结构几何模型。

在ANSYS15.0中，首先我们通过完成如下工作来建立本实例的有限元模型，需要完成的工作有：指定分析标题，定义单元类型，定义材料性能，建立结构几何模型、进行网格划分等。根据本实例的结构特点，我们将首先建立主肢和踏步模型，然后对其进行网格划分，得到有限元模型。如图2所示。

4 结果与结论

ANSYS软件是一种功能强大的有限元分析软件，可以灵活方便的对问题进行分析、计算。随着版本的不断更新，ANSYS软件有更多的改进，更大程度的方便用户使用，在科学和工程计算领域会有更广阔的前景，但是本论文中的问题为结构变形位移和应力是否达到标准的问题，因为本模型主肢的连接方式与实体塔机相差太大，此次主要分析踏步的强度问题，所受应力是否在允许范围内。在有限元求解过程中我们选择，这个模型中的结构受力后的单元情况，如图3所示。

从踏步应力分布图中，可以看出踏步应力主要分布在踏步和主肢连接处，集中在踏步与主肢焊缝的上下连接边缘处，但最大应力为166MP，符合要求。

参考文献：

[1]参数化编程命令与实例讲解/高长银等主编.—北京：机械工业出版社，2015.7

[2] ANSYS参数化编程与命令手册/龚曙光，谢桂兰，黄云清编著.—北京：机械工业出版社，2009.8（2015.10重印）