基于ANSYS Workbench的塔机吊臂有限元分析

塔式起重机作为现代工程施工中的关键起重 设备在工程建设领域起着非常重要的作用。在工 程施工过程中，对塔机的安全性、可靠性的要求
１ ］ 也越来越严格，因而受到设计者的关注：张俊 ［
某一平头塔机吊臂进行有限元分析，以期为塔机的 开发设计以及施工安全提供参考。
１ 建立有限元模型
图 １所示为一平头塔机的吊臂，其截面为倒 三角结构，由 ６个起重臂节组成，其中起重臂节 １ 截面最 大，长 度 为 １ ２ｍ ，主 弦 杆 中 心 线 高 度 为 ，上主弦杆为 Φ ３ ２ ５× １ ４ ，上主弦杆与下主弦 × ２ ２ 杆之间的腹杆为 Φ １ ３ ３×１ ０ ；起重臂 节 ２为 变 截 面，以此来连接起重臂节 １和 ３ ，长度为 １ ２ｍ ，其 ３ ２ ５×１ ８ ，上 主 弦 杆 为 Φ ３ ２ ５×１ ２ ， 下主 弦 杆 为 Φ 上主弦杆与下主弦杆之间的腹杆为 Φ １ ３ ３× ８ ；起 ２ｍ ，其下主弦杆为 Φ ２ ７ ３×１ ６ ， 中心线宽度为 ２ ２ ７ ３× １ ２ ，上主弦杆与下主弦杆之间 上主弦杆为 Φ １ ３ ３× ６ ；起重臂节 ４的长度为 ９ｍ ，截 的腹杆为 Φ 面与起重臂节 ３一致，其下主弦杆为 Φ ２ １ ９× １ ２ ， ２ １ ９× ８ ，上主弦杆与下主弦杆之间 下主弦杆为 Φ １ ０ ８× ５ ；起重臂节 ５为变截面，以此来 的腹杆为 Φ
靳 龙，李玉奇
（ 广西科技大学 机械工程学院，广西 柳州 ５ ４ ５ ０ ０ ６ ）
摘 要：基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 模块对某塔式起重机吊臂建立有限元模型，通过静态和线性屈曲分析塔机 吊臂在近端重载和远端轻载的极限荷载不同工况下的应力变形以及稳定性的状况。结果表明：吊臂起重臂 节上下主弦杆之间的腹杆强度有所冗余，可适当调节腹杆的壁厚以使材料得到更充分的利用，受压主弦杆 可选用更大直径的管子或用焊接工字钢代替，吊臂刚度和稳定性良好，可为塔机设计和工程施工以及进一 步结构优化提供理论依据。 关键词：吊臂；塔式起重机；Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ；线性屈曲；应力变形；稳定性 中图分类号：Ｔ Ｈ ２ １ ３ ５ 文献标志码：Ａ
［ ４ ］
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的重要组成部分，塔机吊臂的强度、刚度以及稳 ３ ４ｍ ，中心线宽度为 ２ ５ｍ ，其下主弦杆为 Φ ３ ２ ５
，主弦杆中心线高度为 ３ １ｍ ， 由三角形单元组合成整体结构，是几何不变系统。 重臂节 ３长度为 ９ｍ 。桁架是金属
结构中一种主要结构形式，与梁相比，其优点为重 量轻、省材料，制造时变形容易 控 制。依 据 现 行 Ｇ Ｂ ／ Ｔ１ ３ ７ ５ ２ —１ ９ ９ ２ ） 《 塔式起重机设计规范》 （
文章编号：１ ６ ７ ４－ ９ ０ ５ ７ （ ２ ０ １ ５ ） ０ ２－ ０ ４ ０ ８－ ０ ５ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ １ ６ ７ ４ － ９ ０ ５ ７ ２ ０ １ ５ ０ ２ ０ ３ ２
基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ的塔机吊臂有限元分析
第２ 期 靳 龙等：基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 的塔机吊臂有限元分析
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连接起重臂节 ４和 ６ ，长度为 ９ｍ ，其下主弦杆为 ２ １ ９× １ ２ ，上主弦杆为 Φ ２ １ ９× ８ ，上主弦杆与下 Φ 主弦杆之间的腹杆为 Φ １ ０ ８× ５ ；起重臂节 ６长度 ，主弦杆中心线高度为 ２ ５ｍ ，中心线宽度 为 ６ｍ 为１ ８ｍ ，其下主弦杆为 Φ １ ３ ３× １ ０ ，下主弦杆为 １ ３ ３× ８ ，上主弦杆与下主弦杆之间的腹杆为 Φ ７ ６ Φ ；所有起重臂节的上 主 弦 杆 之 间 的 腹 杆 均 为 × ６ ７ ６× ６ 。各起重臂节之间通过销轴连接。 Φ 作为平头塔吊，没有塔帽和拉杆，吊臂根部 的两根受拉上主弦杆通过 销 轴 与 回 转 塔 身 相 连， 受压下主弦杆通过螺栓固定在回转塔身上，故在 吊臂起升平面可看作固支座。其边界条件以及受 、４所示。 力分别如图 ３
［ ５ ］
和文献 ［ ６ ］ ，笔者基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ对国内
收稿日期：２ ０ １ ４－ １ ０－ １ ８ 基金项目：广西自然科学基金项目 （ ２ ０ １ ４ Ｇ Ｘ Ｎ Ｓ Ｆ Ａ Ａ １ １ ８ ３ ３ ７ ） ；广西高校科学技术研究项目 （ Ｙ Ｂ ２ ０ １ ４ ２ ０ ０ ） 作者简介：靳 龙 （ １ ９ ６ ４ —） ，男，硕士，副教授，专业：机械优化设计、机构学，ｊ ｉ ｎ ｌ ｏ ｎ ｇ ｇ ｘ ｌ ｚ ＠１ ６ ３ ｃ ｏ ｍ 。 引文格式：靳龙，李玉奇．基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ ＳＷｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ 的塔机吊臂有限元分析［ Ｊ ］ ．桂林理工大学学报， ２ ０ １ ５ ， ３ ５ （ ２ ） ： ４ ０ ８－ ４ １ ２ ．
第３ ５卷 第 ２期 ２ ０ １ ５年 ５月
桂 林 理 工 大 学 学 报
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｇ ｕ ｉ ｌ ｉ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
Ｖ ｏ ｌ ３ ５Ｎ ｏ ２ Ｍ ａ ｙ ２ ０ １ ５

利用 Ａ ｌ ｇ ｏ ｒ Ｆ ｅ ａ ｓ 软件对塔机结构进行了动态分析； １ １ 主要几何参数
２ ］ 陆念力等 ［ 利用 Ｓ Ａ Ｐ ８ ４对塔机结构动态分析的梁
杆系统模型和简化模型作了比较；李海虹等
［ ３ ］
对
塔机钢丝绳拉索起重臂作了动态分析。作为塔机 定性直接决定了整个塔机的工作可靠性以及安全 性。因此，对于吊臂的研究与分析也就显得尤为 重要。塔机吊臂通常为桁架结构，桁架是由杆件组 成的、能够承受横向弯曲的格子型构件，在外力荷 载的作用下，杆件主要承受轴向拉力或压力，通常 桁架的杆件分为弦杆和腹杆两类，杆件的交汇连接 点称为节点，节点的区间称为节间