150吨平头塔式起重机整机结构分析及优化设计
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摘要
随着建筑业机械化施工能力的提高,适合多台塔机在同一工地交叉安装使用的平头塔式起重机的优势越来越得到认可,其需求量也不断提高。技术人员对平头塔机的结构特性研究也变得越来越具有实际意义。
本文以有限元法和优化设计法为理论基础,以有限元分析软件ANSYS为平台,针对平头塔式起重机典型工况,对该塔机的强度、刚度、模态、谐振响应、屈曲稳定性进行了分析。在满足强度、刚度基础上,运用ANSYS优化模块对平头塔机结构尺寸进行优化,以实现起重机结构轻量化的目的。主要研究工作如下：
(1)综合运用ANSYS实体建模和直接建模法,利用ANSYS的梁单元BEAM188简化为空间桁架结构,建立平头塔机整机有限元模型。基于参数化技术,利用ANSYS的参数化语言APDL编制了整机结构的有限元参数化命令流。选择四个典型工况,对组合载荷作用下的起重机的静强度、静刚度分别进行了分析。
(2)对塔机的模态特性和谐响应进行了分析,提取模态分析中的前8阶固有频率主振型,并对结果进行了分析,得出平头塔机的振动属于低频振动。通过谐响应分析,确定了平头塔机在简谐激励下的稳态响应和幅频曲线,从这些响应曲线可以找到谐振响应的峰值。
(3)介绍了ANSYS的结构特征值屈曲和非线性屈曲分析,并利用ANSYS对平头塔机结构进行了屈曲特征值分析,通过对平头塔机典型工况下的屈曲特征值分析,从而确定结构在何种工况下容易失稳。
(4)在最大起重力矩处承载最大载荷的工况下,对平头塔机进行优化设计,在满足强度刚度等条件下,通过优化主要构件的截面尺寸,合理减轻平头塔机的质量。
With the improvement of mechanization of the construction industry, the advantage of flat-top crane in the working process of group towers at the same site is recognized more and more. The demands for amounts of flat-top tower cranes are raised. Therefore, the analysis for the structure property of flat-top tower cranes is more and more valuable and practical.
Theoretically based on the Finite Element Method and Optimal Method, this thesis utilizes the FEM software ANSYS to analyze the strength of the tower crane, stiffness, mode, harmonic response and buckling stability of tower crane in typical working conditions. and optimizes the structure dimensions by means of ANSYS optimization module in order to meet demands of light weight. The main research works are as follows:
(1) The thesis utilizes ANSYS beam element BEAM 188 to simplify the space truss structure to establish of the flat-top crane finite element model comprehensively by means of ANSYS solid modeling and direct modeling method. Based on parametric technology, the thesis utilizes APDL to write the finite element parametric program of whole structure. In the four chosen typical operating conditions, the thesis analyzes the static strength, stiffness of tower crane by load combination.
(2)The thesis analyzes modal property and harmonic response characteristics of the tower crane, extracts of the former 8 natural frequencies and vibration mode. The results are analyzed, and the vibration of tower crane belongs to low-frequency vibration. Through the harmonic response analysis, the thesis determines steady-state response and amplitude-frequency curve of flat-top crane under sinusoidal excitation, and the peak status can be found from the response curves.
(3)The thesis describes the structure of ANSYS eigenvalue buckling and nonlinear buckling analysis, and utilizes ANSYS to carry out the buckling analysis of structure of the flat-top crane. Through the eigenvalue buckling analysis in typical conditions, buckling critical load can be obtained, and the overall stability of the structure can be measured.
(4)In the working condition of maximum lifting torque to hold the maximum lifting load, the thesis operates optimal design for the flat-top crane, and on condition of meeting the demands of stiffness and strength, etc, the quality flat-top crane are reduced reasonably by optimizing the shape of the main structure and the cross-section size of components.
本文以有限元法和优化设计法为理论基础,以有限元分析软件ANSYS为平台,针对平头塔式起重机典型工况,对该塔机的强度、刚度、模态、谐振响应、屈曲稳定性进行了分析。在满足强度、刚度基础上,运用ANSYS优化模块对平头塔机结构尺寸进行优化,以实现起重机结构轻量化的目的。主要研究工作如下：
(1)综合运用ANSYS实体建模和直接建模法,利用ANSYS的梁单元BEAM188简化为空间桁架结构,建立平头塔机整机有限元模型。基于参数化技术,利用ANSYS的参数化语言APDL编制了整机结构的有限元参数化命令流。选择四个典型工况,对组合载荷作用下的起重机的静强度、静刚度分别进行了分析。
(2)对塔机的模态特性和谐响应进行了分析,提取模态分析中的前8阶固有频率主振型,并对结果进行了分析,得出平头塔机的振动属于低频振动。通过谐响应分析,确定了平头塔机在简谐激励下的稳态响应和幅频曲线,从这些响应曲线可以找到谐振响应的峰值。
(3)介绍了ANSYS的结构特征值屈曲和非线性屈曲分析,并利用ANSYS对平头塔机结构进行了屈曲特征值分析,通过对平头塔机典型工况下的屈曲特征值分析,从而确定结构在何种工况下容易失稳。
(4)在最大起重力矩处承载最大载荷的工况下,对平头塔机进行优化设计,在满足强度刚度等条件下,通过优化主要构件的截面尺寸,合理减轻平头塔机的质量。
With the improvement of mechanization of the construction industry, the advantage of flat-top crane in the working process of group towers at the same site is recognized more and more. The demands for amounts of flat-top tower cranes are raised. Therefore, the analysis for the structure property of flat-top tower cranes is more and more valuable and practical.
Theoretically based on the Finite Element Method and Optimal Method, this thesis utilizes the FEM software ANSYS to analyze the strength of the tower crane, stiffness, mode, harmonic response and buckling stability of tower crane in typical working conditions. and optimizes the structure dimensions by means of ANSYS optimization module in order to meet demands of light weight. The main research works are as follows:
(1) The thesis utilizes ANSYS beam element BEAM 188 to simplify the space truss structure to establish of the flat-top crane finite element model comprehensively by means of ANSYS solid modeling and direct modeling method. Based on parametric technology, the thesis utilizes APDL to write the finite element parametric program of whole structure. In the four chosen typical operating conditions, the thesis analyzes the static strength, stiffness of tower crane by load combination.
(2)The thesis analyzes modal property and harmonic response characteristics of the tower crane, extracts of the former 8 natural frequencies and vibration mode. The results are analyzed, and the vibration of tower crane belongs to low-frequency vibration. Through the harmonic response analysis, the thesis determines steady-state response and amplitude-frequency curve of flat-top crane under sinusoidal excitation, and the peak status can be found from the response curves.
(3)The thesis describes the structure of ANSYS eigenvalue buckling and nonlinear buckling analysis, and utilizes ANSYS to carry out the buckling analysis of structure of the flat-top crane. Through the eigenvalue buckling analysis in typical conditions, buckling critical load can be obtained, and the overall stability of the structure can be measured.
(4)In the working condition of maximum lifting torque to hold the maximum lifting load, the thesis operates optimal design for the flat-top crane, and on condition of meeting the demands of stiffness and strength, etc, the quality flat-top crane are reduced reasonably by optimizing the shape of the main structure and the cross-section size of components.
引文
1.郑夕健等.平头式塔式起重机性能分析[J],建筑机械化,2001(5)：54-56.
2.高强等.平头塔式起重机的发展及应用(二)[J],建筑机械化,2003(2)：22-23.
3.王金诺.现代设计理论与方法在起重运输机械中的应用和展望[J],起重运输机械,1997(2)：3-4.
4.须雷.起重机的现代设计方法[J],铁道车辆,1994,39(2)：3-5.
5.张利英等ANSYS在塔式起重机结构分析中的应用[J],建筑机械化,2004(9)：57-58.
6.任会礼等.基于ANSYS的塔式起重机臂架有限元参数化建模与分析[J],起重运输机械,2006(9)：11-12.
7.徐树东.塔式起重机结构分析中有限元技术的应用[J],建筑机械化,2006(3)：21-25.
8.尹强等.基于ANSYS的塔式起重机结构模态分析[J],重庆建筑大学学报,2005,27(3)：97-100.
9.谷礼新等.塔式起重机起重臂结构和稳定性有限元分析[J],机电工程技术,200534(8)：27-28.
10.郑夕健.有限元单元在塔机分析中的应用[J],建筑机械化,2007(02)：33-35.
11.GB/T 13752-92.塔式起重机设计规范[S]
12.GB/T 3811-2008.起重机设计规范[S]
13.周宁等ANSYS-APDL高级工程应用实例分析与二次开发[M],北京：中国水利水电出版社,2007,3-40.
14.王丽晋等ANSYS实体建模与直接建模方法比较[J],国防交通工程与技术2005(40)：45-47.
15.王凯.80吨履带起重机桁架式臂架系统的有限元分析[J],机械设计与研究,2005,21(5)：88-90.
16.于扬.基于有限元技术的塔式起重机建模分析[J],机电产品开发与创新,2007,20(3)：93-95.
17.邵蕴秋.ANSYS8.0有限元分析实例导航[M],北京：中国铁道出版社,2004,15-47
18.张青等.工程起重机结构与设计[M],北京：化学工业出版社,2008.9,23-34
19.王德俊等.现代机械设计强度理论及应用[M],北京科学出版社,2003.12, 57-60
20.龚曙光ANSYS工程应用实例解析[M],北京：机械工业出版社,2003,46-51
21.《起重机设计手册》编写组.起重机设计手册[M],北京：机械工业出版社,1980,275-279.
22.石端伟等.TC2400型塔带机结构的有限元分析[J],工程机械,2005(12)：28-30.
23.胡宗武等.起重机设计计算[M],北京：北京科学技术出版社,2005,15-21.
24.马鹏飞等.塔机有限元分析的前置处理和后置处理[J],机械科学与技术,1997,16(2)：253-25.
25.严正庭.最新钢结构实用设计手册[M],广西：广西科学计算出版社,2003.8,345-350.
26.张宏生.基于ANSYS的桥式起重机结构参数化建模与分析平台开发[J],起重运输机械,2008(2)：34-37.
27.李朔东,马纲.基于ANSYS的模态分析二次开发及应用[J],航天制造技
术,2004(5)：8-12.
28.沙大亮.平头塔式起重机起重臂的模态分析及比较[J],建筑机械化,2008.8：31-33.
29.易春林.基于有限单元法的塔式起重机模态分析[J],河南科学,2006,24(6)：826-827.
30.郑海斌等.塔式起重机起重臂有限元模态及动态分析[J],机械与电子,2004(5)：64-67.
31.袁安富ANSYS在模态分析中的应用[J],中国制造业信息化,2007,36(11)：42-44.
32.夏拥军.确定塔式起重机结构低阶振频的实用方法[J],工程机械,2005(4)：32-37.
33.孙焕纯等.对桁架结构稳定分析经典理论的讨论[J],计算力学学报,2005第22(3)：316-319.
34.(美)S.P.铁摩辛柯.弹性稳定理论[M],北京：科学出版社,1965，18-19
35.顾元宪等.组合结构屈曲稳定性优化设计与灵敏度分析[J],宇航学报,2000.21(3)：127-131.
36.孙靖民等.机械优化设计[M],北京：机械工业出版社,2003.6,19-24
37.李炳宏.基于ANSYS分析的平面桁架结构优化设计[J],山西建筑,2007.33(20)：54-55.
38.陈炳炎.塔式起重机塔身的优化[J],建筑机械,1988.9：13-17.
39.于兰峰等.塔式起重机结构系统动态优化设计[J],西南交通大学学报,200742(2)：206-209.
40.严云.ANSYS参数化设计语言的结构优化设计[J],华东交通大学学报,2004(4)：52-55.
41.柯常忠ANSYS优化技术在结构设计中的应用[J],煤矿机械,2005(1)：92-94.
42.马雪洁.基于ANSYS的桁架优化设计[J],焦作大学学报,2004(4)：22-30.
43.张洪伟.基于ANSYS参数化建模的农用车车架优化设计[J],农业机械字报,2007 38(3)：35-37.
44.王富强.基于APDL语言的结构优化设计[J],科学技术与工程,2006,6(21)：3405-3407.
45.李斌等.塔式起重机整机结构优化方法[J],建筑机械,1996(2)：13-15.
46.苏运波.基于APDL的起重机臂架结构参数化建模及优化研究[D],湖北：武汉理工大学,2008.4,3-4
47.REN HUILI,GAO CHONGREN. Establish Finite Element Parameterer Models For Tower Crane's Steel Structure Based on Object Oriented Techniques[C], Proceedings of the 4th International Conference on Material Handling & Logistics Systems,2002.
48.GAO CHONGREN, REN HUILI. Design Methods Overview of Tower Crane's Steel Structure[C], Proceedings of the 4th International Conference on Material Handling & Logistics Systems,2002.
2.高强等.平头塔式起重机的发展及应用(二)[J],建筑机械化,2003(2)：22-23.
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47.REN HUILI,GAO CHONGREN. Establish Finite Element Parameterer Models For Tower Crane's Steel Structure Based on Object Oriented Techniques[C], Proceedings of the 4th International Conference on Material Handling & Logistics Systems,2002.
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