平头式塔机起重机平衡臂设计

一．问题分析

题目：平头式塔机起重机平衡臂设计

载荷确定

1.臂架自重参考同类型产品根据比例假定臂架自重3T

2.配重由任务书知配重为15.7T

3.起升机构重量为2.7T

4.风载荷按照我国《塔式起重机设计规范》(GB/T13752-92)

Pw=CwPwA

Cw为风力系数，查表Cw=1.3

Pw为计算风压，查表的Pw=250Mpa

A为迎风面积A=A1+A2

A1=w1*A11 A1=W1*A11 A2=w2*A2 取w1,w2为0.4

η=0.4 A1=HL

A1=w1*H*L=4㎡

A2=w2*H*L*η=1.6㎡

A=5.6㎡

Fw=1820N

风力除以臂架长度迎风面取100N/m，挡风面积取30N/m

5.其他水平力

回转惯性力T=0.1*Q(Q为配重)T=0.1*15.7T*g=15700N

该平衡臂机构采用格构式等三角形，上弦采用圆钢管或方管，下弦采用两个箱形截面，每个箱形截面可由两个角钢（或槽钢，钢板焊接而成）

材料选择：

该塔机功率较大配重达15.7T，故初选材料Q345B.弹性模量，210e9Mpa，泊松比0.3。钢材密度为7850kg/m³

结构分析：

手工初步计算时将该平衡臂简化为悬臂梁然后初选截面尺寸，确定臂架结构。然后根据所受载荷以及约束条件，经过强度，刚度以及稳定性计算各结构精确尺寸。最后要进行载荷校核优化结构尺寸。

有限元分析时由于平衡臂受水平方向载荷以及竖直方向上载荷而且结构为空间立体结构故简化模型应为三维模型梁结构。

约束条件：平衡臂与塔身连接，两根下肢与塔身铰接需要限制五个自由度（仅绕Z轴旋转自由度未被限制），上主肢也与主肢铰接，但考虑到他们实际连接性状上主肢塔身连接可等效为仅仅限制X轴方向上的自由度。

载荷条件：

设计计算应在最恶劣载荷条件下计算，在竖直平面内受自重及平衡自重。臂架自重通过密度及重力加速度实现平衡重自重则用均布载荷代替。水平平面受风载荷以及回转惯性力，风载荷通过均布载荷实现，挡风面所受载荷为迎风面0.3，回转惯性力通过水平横向均布载荷代替。卷筒水平力该力较小且忽略该力臂架受力仍为最恶劣受力状态简化受力模型忽略该力。二．实验过程

1.单元选择

根据平衡臂结构特征把平衡臂杆件处理成梁单元。选择beam188单元进行模拟就可以满足分析要求。下面对beam188单元进行简介：

三维梁单元beam188单元的节点位置，几何形状，坐标体系如图所示。Beam188是一种

线性；梁单元，他是建立在timoshenke分析理论基础上的。Beam188单元增强了单元截面形状定义功能，用户可以通过相关操作定义单元形状。而且还支持自定义功能。Beam188单元对单元的剪切变形也进行考虑。Beam188单元还改进了梁构件另两维的可视化特性，可以让用户清晰的看到各个部位的应力和变形。Beam188单元的keyopt（1）设置为1时增加扭曲幅度自由度，beam188单元的程序默认设置值为0，也就是认为横截面的扭曲幅度足够小到可以忽略。Beam188单元可以通过参数secdata、secoffset、sectype、secwrite、secread定义截面，截面与单元用截面ID号（SECNUM）来关联，截面号是独立的单元属性。

2.建模及设置基本属性

1）设置文件基本属性，定义单元类型beam188并分别定义上主肢，下主肢、斜腹杆及水平腹杆截面形状。弹性模量210e9Mpa，泊松比0.3，钢材密度。7850kg/m³

2）在总体笛卡尔坐标系中输入各个关键点的坐标

3）将各个关键点连接，形成平衡臂简化结构

3.划分网格

1）经分析选择单元格长度为1m比较合适。选择单元格长度为1m。总共101个单元格。2）对各个杆件进行网格划分并赋予其界面属性。

平衡臂结构如

图一：平衡臂简化图

4加载求解

1）施加边界约束，平衡臂与塔身连接，两根下肢与塔身铰接需要限制五个自由度（仅绕Z轴旋转自由度未被限制），上主肢也与主肢铰接，但考虑到他们实际连接性状上主肢与塔身连接可等效为仅仅限制X轴方向上的自由度。

2）在竖直平面内受自重及平衡重。臂架自重通过密度及重力加速度实现平衡重自重则用均布载荷代替，水平平面内受风载荷以及回转惯性力，风载荷通过均布载荷实现的，挡风面所受载荷为迎风面0.3回转惯性力通过与风载荷同向的水平横向均布载荷代替。平衡重重量通过均不载荷400000N来实现。

3）点击Main menu＞solution＞current LS进行求解。

5．通用后处理

1）轴力图

图二：平衡臂轴力图

2）弯矩图

图三：平衡臂弯矩

起升面内弯矩较大主要集中在与塔身连接处，最大为9983n*m.

3）剪力图

图四：平衡臂剪力图

动载剪力最大存在

4）变形图：

图五：平衡臂变形图

动载最大变形0.2cm

5）结果讨论

从图中可以看出ansys分析结果与手工技术相差较大，但最危险处出现处（剪力、应力最大处）与手工计算的地点相同。出现这种现象的原因是多方面的。

1.手工计算时简化臂架结构为悬臂梁而ansys分析时却简化为刚性桁架结构，这就不

可避免的产生了较大的误差。

2.ansys分析时所加约束与实际约束也有较大差距，同时风载荷、回转惯性力、平衡

重自重的替代与实际条件相比做了大量简化也存在较大误差。

3.对于应力，在手工计算时主要考虑臂架的稳定性计算时主要进行计算所取应力为不

失稳时的应力，而有限元分析时主要分析臂架结构的强度并未考虑整体结构的稳定性，两者计算结果存在较大系统误差。

4.手工计算时选取界截面尺寸取较大值，按照该截面进行有限元分析结果必然较小。

虽然能较好满足设计要求但造成材料的极大浪费。

四、实验总结

通过一周的课程设计，使我加强了对anasys的了解，能够熟练使用anasys软件计算、分析塔机平衡臂的稳定性.通过anasys软件的应用，可以清楚了解平衡臂最大弯矩、剪力等受力处，可以及时改善对平衡臂的设计。使之更加可靠、安全、经济。

同时，课程设计期间，同学热心的帮助，老师耐心的讲解也令我很快解决问题，提高了水平。感谢老师、同学的帮助。