基于ANSYS有限元软件的塔机回转下支座力学分析

基于ANSYS有限元软件的塔机回转下支座力学分析摘要：
在塔式起重机的所有结构中，回转部分多数采用钢板拼焊的箱型结构，该结构要求塔机各种工况下满足刚度、强度要求。

本论文以本单位QTZ型1000Tm 回转下支座结构为计算目标，建立ansys有限元计算模型，通过有限元软件的计算，考察并分析该回转下支座结构的应力状态及应力变化趋势，调整结构使其满足要求，提高塔机的性能及可靠性。

关键词：回转下支座；ANSYS；应力分析
0引言：
回转部分是塔式起重机重要的组成部分，它将完成塔机在工作面内的旋转运动，对塔机正常工作起到关键作用。

比较塔式起重机其他部分，如吊臂、平衡臂，回转部分的结构比较紧凑，主要由回转下支座，回转上支座，回转支撑，回转机构，及其他安全装置组成，钢结构件为回转上下支座，它将承受所有回转以上的载荷。

因此回转支座的强度、刚度对回转部分以及整个塔机的安全及性能起到关键作用。

回转支座计算比较复杂，这是由于其本身结构形式决定的。

回转上下支座结构多数采用钢板拼接而成，与其他部分连接的主弦部分多采用角钢、方管、圆钢等，总体来说主要以板梁结合为主的结构。

这导致在对回转上下支座计算时，力学模型难以建立，无法准确地采用结构力学中的计算方法进行简化，因此在以往的计算过程中，只能对连接位置处主弦及销轴的强度进行计算。

本文以ANSYS有限元软件为计算平台，以我单位QTZ型1000Tm塔机回转下支座为计算目标，通过建立回转下支座有限元模型，合理分析载荷状态及加载位置，计算出回转下支座在设定的几种工况下的应力最大值及应力分布状态。

完成回转下支座强度及刚度的校核，同时提出回转下支座改进方案，完成计算目标，使该型号塔机回转部分设计更合理、性能更优越、安全及使用可靠性更高。

1回转下支座结构受力分析
本单位QTZ型1000Tm型号塔式起重机回转下支座为本文的计算对象，该回转下支座主要由上下盖板、回转双层钢圈拼焊而成，主弦采用圆钢形式。

回转下支座与下方内塔节连接，采用主弦圆钢上焊接的耳板通过销轴连接；回转下支座上方安装回转支撑，回转支撑与回转下支座采用高强螺栓连接，该高强螺栓穿过回转支撑及下支座上下盖板，在下盖板处用高强螺母拧紧。

根据塔式起重机的工作状态特点，本文选取三种工作状态作为计算工况，分别为：
 工作状态尾吹风、
 工作状态侧吹风、
 非工作状态
三种工况需要分别计算出回转下支座以上的轴力、剪力、弯矩、扭矩，并将各种载荷进行分解、合并，施加在模型的每个加载位置上，模拟现实情况下回转下支座所受的外载荷。

由于回转部分以上的外载荷是通过回转上支座传递给回转支撑，再通过回转支撑传递到回转下支座，而回转支撑和回转下支座是高强度螺栓连接，因此选取回转下支座加载位置时，本文设定上盖板高强螺栓孔位置为载荷加载点，通过加载点将载荷传递到整个模型的各个板、梁。

通过不同工作状态施加载荷的变化，模拟实际情况下载回转下支座受力情况。

这里假设下方与回转下支座相连的过渡节为刚性，保证链接位置不产生位移，因此可以在回转下支座载荷与过渡节连接的铰接孔位置施加约束，相当于上部载荷产生的变形全部由回转下支座产生，这样就只对回转下支座进行校核，满足计算要求。

2建立模型
由于该回转下支座结构模型复杂，利用ANSYS建立几何模型操作繁琐，耗时比较长，建模效率低，因此笔者采用三维软件SOLIDWORKS建立几何模型，几何模型完成后通过SOLIDWORKS转存成IGS格式，这样ANSYS软件就可以读取几何模型（如图2.1），导入后的模型不能直接进行分配属性、划分网格，因为模型中的点、线、面、体处于不联系状态，这样建成有限元模型后会导致载荷和位移不能够合理传递，因此需要通过导入几何模型编辑操作，通过snsys中的几何模型编辑命令，使几何元素点，线、面、体都能够通过下一级几何参数连接在一起。

图2.1
本文采用shell63壳单元模拟上下盖、板回转钢圈及加强筋板，采用solid95实体单元模拟主弦及耳板，采用link10单元模拟高强螺栓连接，根据考核部位的特点及实际结构形式，合理分配单元类型。

在主弦上的耳板孔壁位置施加面约束，假定了与过渡节连接位置不发生位移，自此该回转下支座有限元模型建立完成，各个板件都互相连接，当产生载荷时，载荷能够传递到回转下支座各个位置。

回转下支座加载点位于连接回转支撑螺栓的铰接孔位置，根据工况的不同各个加载点的载荷大小也不同。

在回转支撑上盖板位置的72个螺栓孔位置逐个加载，本文利用载荷线性分布原理，分别计算出每个加载点位置上X、Y、Z三个方向上的载荷大小，该72个加载点合成将等效于外载荷在回转下支座上产生的轴力、剪力、弯矩、扭矩，模拟现实回转下支座的受力状态。

在加载过程中，加在Y轴正方向载荷（垂直上盖板向上）通过盖板shell63单元本身及模拟螺栓的link10单元共同承担，在Y轴负方向载荷（垂直上盖板向下）只通过盖板shell63单元本身承担（设置link10单元只受拉不受压，模拟螺栓）。

扭矩加载同样通过计算好的回转上部分扭矩，逐一分解到各个加载点，模拟外载荷扭矩，自此回转下支座加载问题得到合理解决，利用离散的加载点，来合理模拟现实各种工况下的外载荷，约束及载荷施加后的有限元模型见图2.2。

图2.2
3计算结果分析及结构改进
根据设定好的3种计算工况，分别对模型分别加载，并计算出工作状态为吹风、工作状态侧吹风及非工作状态三种工况的的应力值，笔者截取这三种工况下回转下支座结构应力最大值产生位置，见图3.1-3.3。

图3.1 工作状态尾吹风
图3.2 工作状态侧吹风
图3.3 非工作状态
由上面计算结果可以看出，应力最大位置都发生在主弦与耳边连接处和主弦与下盖板连接处，该位置的应力分别为257MP、254MP、283MP。

根据材料许用要求，Q345B材料屈服345MP，工作有风状态、非工作状态许用应力分别为259MP、283MP,理论上勉强满足材料使用要求。

但该应力最大位置为结构几何形状发生突变位置，计算过程中形成应力集中，同时在实际结构中，该位置为耳板与主弦、下盖板与主弦焊接位置，应力最大位置为焊缝处，在该处多条焊缝交汇
也加剧了焊缝的应力集中，因此该结构回转下支座在应力最大位置处存在安全隐患。

根应力据计算及分析结果，对耳板结构进行了改进，加长了耳板长度，使耳板横焊缝加高，躲开焊缝密集区，与下盖板和主弦的焊缝错开，减轻了该处的应力集中，该处的应力状态得到改善，符合材料应力需求。

4总结
本文通过对回转下支座受力状态的合理分析，并基于ansys有限元软件建立了回转下支座有限元模型，在完成载荷及约束的施加后，实现了三种工况下回转下支座的计算，得出计算结果：最大应力均出现在耳板与圆钢的连接处及回转下盖板与圆钢的连接处。

通过对计算结果的分析得到，在该位置由于结构形式原因形成应力集中，同时此处为焊缝集中区，更加剧了应力集中程度，因此对回转下支座结构进行修改，得到符合要求的结构形式。

这为回转结构的计算机辅助设计奠定基础，同时对结构的设计提供了理论依据，增加了回转以及整机的安全系数及可靠性。

参考文献
1.国家技术监督局，《塔式起重机设计规范》GB/T13752—92，1992年11月。

2.王重华，《结构力学》，人民交通出版社，1998年2月
3.邢静忠，王永岗，陈晓霞，《ANSYS 7.0分析实例与工程应用》，机械工业出版社，2004年5月。

4.赵海峰，蒋迪，《ANSYS 8.0工程结构实例分析》，中国铁道出版社，2004年11月。

5.胡仁喜，王庆五，闫石，《ANSYS 8.2机械设计高级应用实例》，机械工业出版社，2005年1月。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。