工程论文塔机金属结构有限元分析方法

　　本篇工程论文通过对塔式起重机有限元结构分析中若干问题的研究，给出了有限元结构分析的整体思路、主要步骤。探讨了实施过程中，结构的简化、离散以及边界条件的处理方法。使用有限元分析可以得到结构详细的变形与应力分量，为结构评定与优化设计提供准确的依据。

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　　摘要：塔式起重机金属结构属大型空间超静定结构，工况繁多、载荷复杂，使用传统的工程计算方法对其进行全面准确的结构分析是非常困难的。随着计算机技术的快速发展，有限元法在塔式起重机结构静、动力及稳定性分析方面获得了广泛应用。

　　关键词：塔式起重;金属结构;有限元法

　　一、有限元分析简介

　　有限元法是现今理论最成熟、应用最广泛的数值计算方法。使用有限元方法对塔式起重机进行结构分析[1]，可以模拟最恶劣载荷和工况下塔式起重机结构的受力和变形情况，准确地计算结构的应力应变，使产品在设计阶段就能够对其性能进行评估，及早发现设计上存在的问题，从而大大缩短开发周期。

　　有限元法的基本过程包括结构离散、单元分析、整体分析、引入边界条件、求解线性方程组、计算应力应变。进行有限元分析通常需要以下三个步骤：

　　(1)对结构进行简化，选用适当的单元将结构进行离散(划分网格)，建立有限元模型;

　　(2)在有限元模型上施加位移约束和荷载，对有限元模型进行计算;

　　(3)对计算结果进行查看、提取、处理与评价

　　二、有限元在塔式起重机结构分析中的应用

　　国内外塔式起重机设计行业已经将有限元应用于结构分析，如进行结构静力分析、动态分析及稳定性分析等。在塔式起重机有限元分析中，建模方案可以分为两类[2]：一类是把要分析的部件(如起重臂、塔身等)单独建模分析，如图1所示;另一类是建立塔式起重机金属结构整体有限元模型，如图2所示。后一种建模方案，考虑了各部件之间的耦合作用，通常可以获得更为准确的分析结果。

　　三、塔式起重机有限元结构分析方法

　　使用有限元进行塔式起重机结构强度、刚度及稳定性分析的总体思路是：把有限元作为结构分析的手段，计算出在危险工况和载荷组合作用下，结构的内力与变形，用现行规范[3,4]中给出的公式进行校核。其主要步骤为：

　　(1)以现行规范为依据，根据塔式起重机的类型特点及工作性能确定分析工况[5];

　　(2)确定计算载荷及载荷组合;

　　(3)建立塔式起重机整体或部件的有限元分析模型，计算各载荷组合作用下结构响应参数，如结构变形、内力分量等;

　　(4)利用求得的各单元内力及变形分量，代入现行规范中的公式，对结构的强度、刚度及局部稳定性进行评定。

　　建立有限元模型时，应对结构进行必要的简化，以便于离散。塔式起重机各部分结构的几何特征和受力特性不尽相同，应该根据实际情况选择相应的单元进行离散。对起重臂、塔身这类由钢杆焊接而成的杆件结构，取各杆形心轴线建立几何模型，采用梁单元或管单元进行离散，杆与杆之间采用刚结点连接，以考虑次内力的影响。对回转台这类由钢板焊接而成的结构，取各板中面建立几何模型，用板壳单元进行离散。起重臂拉杆仅承受轴向力的作用，使用杆单元进行离散。

　　在完成几何模型的离散化之后，首先对模型施加约束条件以消除刚体位移，然后将计算的载荷按相应的载荷组合施加到有限元模型上。各载荷的数值、方向和作用位置应按对结构产生最不利作用的原则进行迭加。

　　在处理完边界条件后，就可以进行求解，获得各单元的位移、内力、应变、应力、支座反力等结果。起重臂、塔身等、塔帽等结构中的杆件均属于拉(压)弯构件，通过提取各杆件所属单元的计算结果(如轴向力、弯矩等)，代入规范中相应的计算公式，就可以对杆件的强度、刚度及稳定性进行校核。

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