蒙志謀

（南寧市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，廣西南寧530022）

金屬結(jié)構(gòu)是塔式起重機主要結(jié)構(gòu)，其強度、剛度和穩(wěn)定性，決定著塔式起重機的經(jīng)濟性和整體可靠性。塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算，傳統(tǒng)上由空間結(jié)構(gòu)簡化為幾個平面結(jié)構(gòu)分別計算；有時為簡化計算，則直接簡化為桁架結(jié)構(gòu)后，由人工計算，然后再將計算結(jié)果疊加[1]。由于人工分析計算工作量大，且存在較大計算誤差，因此金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計計算一直是塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重點和難點。隨著工程技術(shù)的不斷進步發(fā)展，對塔式起重機的整體性能要求越來越高，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計計算需要對結(jié)構(gòu)的靜、動強度等技術(shù)參數(shù)，進行分析計算。這就要求在產(chǎn)品的設(shè)計階段，就要精確地預(yù)測出產(chǎn)品的技術(shù)性能、強度、壽命、成本等。計算機技術(shù)的發(fā)展，為解決這些問題提供了可能。計算機技術(shù)可以確定金屬結(jié)構(gòu)因外載引起的應(yīng)力和應(yīng)變，可以用于靜強度校核、耐久性分析、材料優(yōu)化選擇等。現(xiàn)結(jié)合SAP84在平頭塔式起重機開發(fā)中的應(yīng)用實踐，介紹其在結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)處理

塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)，絕大部分為桿系結(jié)構(gòu)，可選桿單元和梁單元，為簡化計算，在有限元計算時大部分桿件采用梁單元。為簡化問題，對局部為板結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)采用特殊單元處理，忽略板結(jié)構(gòu)的位移變形，用若干剛性單元模擬其位置聯(lián)接關(guān)系，作全鋼架處理。所以，建模時回轉(zhuǎn)支承部分簡化為直接連接，并將此處梁板組合結(jié)構(gòu)簡化為梁結(jié)構(gòu)。這些局部非梁結(jié)構(gòu)在以后計算時，可作為板、殼、梁混合結(jié)構(gòu)，由反力計算結(jié)果單獨分析，也可用ANSYS或其他有針對性的有限元軟件單獨分析。對回轉(zhuǎn)支承部分的額外自重，用集中等效結(jié)點力代替，同時可適當(dāng)考慮鋼絲繩力對結(jié)構(gòu)局部的影響，可將其作為局部結(jié)構(gòu)內(nèi)力加入。

2 力學(xué)模型的建立

為真實準確地模擬塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間的關(guān)系，在這里運用SAP84有限元的三維建模功能，直接建立塔式起重機整機結(jié)構(gòu)的三維元模型，無需人工解析結(jié)構(gòu)各構(gòu)件間的內(nèi)在聯(lián)系。塔式起重機塔身，主要由角鋼拼焊的桁架結(jié)構(gòu)聯(lián)接而成，其結(jié)構(gòu)單一，而且角鋼的截面特征相對統(tǒng)一，故可采用梁單元生成有限元分析模型。在建模前，首先要選擇單位制、自重方向、鋼材截面特性等，然后創(chuàng)建節(jié)點，并在節(jié)點的基礎(chǔ)上建立單元。在SAP84中有標(biāo)準的型鋼截面庫，我們可直接指定相應(yīng)鋼材的截面及鋼號給相應(yīng)單元，也可自己設(shè)定。由于塔式起重機標(biāo)準節(jié)結(jié)構(gòu)形狀一致，在標(biāo)準節(jié)建模時，要注意塔身截面的空間方向，并按實際空間方向進行必要的調(diào)整，如果出錯，就會使計算結(jié)果出錯。建模時，要充分利用SAP84的螺旋拷貝、復(fù)制、旋轉(zhuǎn)等功能。因此，我們只要建立一節(jié)標(biāo)準的有限元模型，然后利用復(fù)制等功能，就可建立其他標(biāo)準節(jié)模型了。在起重臂及平衡臂建模時，由于起重臂及平衡臂結(jié)構(gòu)形狀的不一致性，可從根部開始創(chuàng)建的節(jié)點，在確定了單元空間位置和材料物理屬性后，再生成所有單元。在對起重臂及平衡臂建模時，要注意其結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，對結(jié)構(gòu)形狀一致部分，也要充分地利用復(fù)制等功能，以提高建模速度。力學(xué)模型建成并保存后，要應(yīng)用SAP84自帶的數(shù)據(jù)檢查功能，對模型的準確性進行檢查，確定無誤后可進行試計算。

3 約束及載荷處理

由于采用整機模型，塔式起重機在獨立工作狀態(tài)時，塔身與基礎(chǔ)相聯(lián)，故將塔身與基礎(chǔ)聯(lián)接的4個節(jié)點進行約束，根據(jù)實際情況將節(jié)點的6個自由度全部約束。參照塔式起重機設(shè)計規(guī)范[2]，作用在塔式起重機上的載荷分為4類：即基本載荷，附加載荷，特殊載荷和其他載荷。強度計算時，主要分析塔式起重機在工作狀態(tài)下，臂架沿45°方向時的受力情況。如果要進行其他方向的受力分析，可將塔身旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度則可。在加載時，先將各種類型的載荷與SAP84模塊的上的載荷種類一一對應(yīng)，按載荷種類，分別將其加到模型的相應(yīng)位置。計算中主要考慮的載荷有：

（1）自重載荷，主要包括回轉(zhuǎn)支承、起升機構(gòu)、變幅機構(gòu)、平衡重、外套架等（SAP84自動將結(jié)構(gòu)自重計入載荷種類1）；

（2）起升載荷，主要包括吊重、吊鉤自重、變幅小車及50%的鋼絲繩自重，并置于最大幅度處（必要時可對最大起重量進行分析）；

（3）正常工作狀態(tài)下順著起重臂方向的風(fēng)載荷；

（4）正常工作狀態(tài)下垂直于起重臂方向的風(fēng)載荷；

（5）非工作狀態(tài)下順著平衡臂方向的風(fēng)載荷；

（6）運行起制動的慣性力；

（7）回轉(zhuǎn)、變幅起制動的引起的切向載荷；

（8）回轉(zhuǎn)引起的離心力等。

4 有限元求解及后處理

塔式起重機金屬結(jié)構(gòu)的強度計算，應(yīng)按工作最大載荷組合進行計算[1]。在有限元求解前，先按塔式起重機設(shè)計規(guī)范，定義各種分析工況下的載荷組合及系數(shù)，并在SAP84的載荷組合菜單下，定義內(nèi)力組合和位移組合，之后就可求解計算了。計算完成后，可查看各桿件的彎矩、剪力、軸力、扭矩、長細比及節(jié)點位移等，之后就可利用計算及分析結(jié)果，對結(jié)構(gòu)單元進行強度、穩(wěn)定性及位移驗算，并根據(jù)驗算結(jié)果修改材料斷面，從而降低計算工作量，并達到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

5 結(jié)束語

SAP84在塔式起重機結(jié)構(gòu)優(yōu)化及新產(chǎn)品開發(fā)上，都取得了很好的效果，應(yīng)用SAP84開發(fā)的系列平頭塔式起重機，已全部通過型式試驗，并遠銷烏克蘭、馬來西亞、阿聯(lián)酋等國家。

[1]范俊祥.塔式起重機[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2004.

[2]GB/T13752—92，塔式起重機設(shè)計規(guī)范[S].