塔式起重机静力学计算及臂架优化设计

         0 引言
随着建筑工程行业科学技术的发展，塔式起重机在建筑行业的应用也越来越广。塔式起重机技术的飞速发展离不开对静态性分析的计算与臂架材料的分析设计。在我国塔式起重机设计发展的初期阶段，经常会因为应用传统的静力计算与类比公式导致塔式起重机的振动效应过大、机械整体自重大等缺点。这些缺点都严重地影响了塔式起重机在建筑工程作业中的使用。为了改掉这些缺点，我国的一些大型塔式起重机制造单位，通过利用模态分析对传统起重机进行改进，使我国成为了拥有先进塔式起重机技术的出口大国。
1 模型的建立
1.1 单元类型的选择
ANSYS是一款有限元分析软件，其作用是能够为梁杆提供不同的单元模式，可以根据塔机的需求进行选择。我国建筑行业中的塔机均是空间结构，而ANSYS分析软件属于三维结构，因此在对塔机进行分析的过程中，会比较全面。BEAM188单元以 Timoshenko为基础，其数值需要根据函数进行计算，计算过程中也要考虑到剪力问题的影响，使塔机的功能需求能够被全面分析。
1.2 塔机的参数
一般的塔机工作高度为45m，臂长为60m，起重量最多为6.5t，在该工程中，塔机整体材质为钢材，其硬度为235，密度为8100，泊松比为0.3，弹性系数为225。塔机的参数是塔机设计的关键，在进行塔式起重机设计时，依据的标准就是塔机的参数，在塔机设计之前需要经过建模的分析，把塔机的参数输入进模型中，就可以得到塔机出厂后的最终结果。
1.3 模型的简化
1.3.1 在模型的简化中，起重臂是比较重要的模块，其采用了杠杆原理，链条是其主要的组成部分，在构建模型的过程中，应该根据实际的起重臂大小制定比例，然后在链条固定位置设定节点。
1.3.2模型的構建并不是简单的对原理进行模拟，还需要在形状、外观等方面使模拟的模型与真实的起重机一致。
1.3.3 模型需要有关键点的设置，关键点主要在小车的承重方面，当对小车进行操作的过程中，建筑人员应该将重力放在关键点部位。
1.3.4 模型起重臂的顶端与转台相连接，当起重臂进行提升的操作后，可以将升起动作固定在铰支座上，然后使拉杆能够固定在顶部，因此，对拉杆的约束为全约束。
1.4 荷载的情况
荷载量是每个工程建筑机械都要进行考虑和分析的因素，塔式起重机也不例外。在对塔式起重机进行分析时，需要考虑以下几个荷载因素。首先是自重荷载，自重荷载顾名思义就是塔式起重机自身重量能负担得起多少荷载量，自重荷载量的计算要以自重惯例的形式加在每一个单位上。其次是，起升荷载量，起升荷载量就是指塔式起重机在进行作业时的起重量，起升荷载量的计算要依据吊臂的起重量来计算。最后是水平惯性荷载量与风荷载量。根据相关理论分析，在塔式起重机进行作业时要首先计算侧面风的荷载力度，再对风压加载在起重臂上的力度进行计算。
2 静力计算
2.1 静力计算的步骤
想要进行静力的计算首先要对静力的公理进行分析，静力的公理分为二力平衡公理、加减平衡公理、作用与反作用力公理。静力计算的步骤是先画受力分析图，并根据受力分析图选取坐标的位置，最后通过坐标轴求取矩心和未知数，再通过未知数的计算求取静力。
2.2 ANSYS静力计算的程序
第一步，打开静力计算软件，然后选择与启动DS模块弹出的界面。
第二步，导入起重机参数与重力模型。根据操作步骤进行。首先，单击“几何体”，选择“文件”，然后选择弹出窗口中的3D模型文件，如果当时catia文件格式不符，可以把三维图先转换为“.stp”的格式，即可导入。
第三步，选择零件材料：文件导入软件后，在这个时候，依次选择“几何”下的“零件”，并且在左下角的“Details of ‘Part’”中以调整零件材料属性。
第四步，划分网格：选择“Project”树中的“Mesh”，右键选择“Generate Mesh”即可在这一点上，你可以在左下角的“网格”对话框的细节调整网格的大小（体积元）。
第五步，添加类型分析：第一选择顶部工具栏上的“分析”按钮，添加需要的类型分析，因为我们需要做的是在这种情况下的静态分析。
第六步，添加固定约束：首先选择“Project”树中的“Static Structural”按钮，右键点击支持插入固定树。
第七步，添加载荷：选择“Project”树中的“结构静力”，右键选择“Insert”中的“Force”，然后在选择载荷的作用面，再次点击“Apply”按钮进行确定。
第八步，添加变形：右键点击选择“Project”树中的“Solution”，随后依次选择插入，变形，Total”，添加变形。
第九步，添加等效应变：右键单击“项目”的树，“插入应变->解决方案->添加等效，等效应变。
第十步，添加等效应力：首先右键点击“Project”树中的“Solution—>Insert—> Stress—>Equivalent”，添加等效应力。
第十一步，求解：右键点击选择“Project”树中的“Solution”，随后选择“Solve”求解。
3 塔式起重机臂架优化设计
3.1 臂架基本性能

      想要对塔式起重机臂架的性能进行优化，首先要对臂架的基本机构与功能进行了解。在我国现在的塔式起重机类型上塔式起重机的类型参数如表1所示。 

　　3.2 建立优化设计模型
优化设计模型的建立是为了保证塔式起重机在真正的应用于建筑工程作业时的操作作业质量，臂架作为塔式起重机起重结构的主要部分，其优化模型的设计更是塔式起重机优化模型设计的核心，在模型设计时，其模型按照：上弦杆和下弦杆都按梁单元进行模拟，而腹杆则按照杆单元进行模拟；在待优化区域中，将悬架体系当中的侧腹杆直接删除，取而代之的是板壳单元。
3.3 腹杆布局优化
腹杆是塔式起重机臂架的一部分，臂架除了腹杆还有上弦杆、下弦杆等结构。关于腹杆的布局优化影响着整个臂架优化，腹杆的布局优化是整个臂架优化的核心工作，在对腹杆进行优化时，我们借用SKO法对腹杆进行拓扑优化设计，经过拓扑优化设计后的模型塔式起重机臂架的详细参数如表2所示。 (责任编辑：论文发表网)转贴于八度论文发表网: http://www.8dulw.com(论文网__代写代发论文_论文发表_毕业论文_免费论文范文网_论文格式_广东论文网_广州论文网)