ansys分析平头式塔机起重臂.docx

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ansys分析平头式塔机起重臂

　　　　　　平头式塔式起重机起重臂的有限元分析

一、实验目的:

综合训练和培养学生利用有限元技术进行机械系统分析和设计的能力,独立解决本专业方向实际问题的能力；训练学生对机械结构问题分析规划的能力，能正确利用有限元分析软件ＡNSYＳ建立结构的有限元模型,合理定义单元、分析系统约束环境,正确加载求解，能够提取系统分析结果。

通过实验分析使学生了解和掌握有限元技术辅助机械系统设计和分析的特点，推动学生进行创新设计，进一步提高动手操作能力,为将来所从事的机械设计打下坚实的基础。

二、实验任务:

本专题实验借用上一学期现代机械工程基础实验1－金属结构部分的参数和设计成果,采用有限元方法进行设计分析,用ANＳYS软件对塔机的起重臂、平衡臂和塔身结构进行模型构建和强度、刚度分析,并与手工计算结果进行对比讨论。

掌握有限元法进行工程实例计算的基本方法和步骤。

三、实验内容和步骤：

（一）问题分析:

　　塔机工作时产生的冲击和振动易造成钢结构的破坏,起重臂作为塔机的主要受力部件,其结构强度和刚度关系着工作的可靠性和安全性。

利用有限元分析软件ANSYＳ分析起重机臂架在典型工况下的应力分布规律及模态特性,可在虚拟阶段对其进行强度及稳定性校核,降低了生产成本，缩短了开发周期,提高了产品质量,本次实验周对平头塔机起重臂进行分析。

塔机起重臂主要载荷包括：

起重臂自重、风载荷、吊重、吊重风载、惯性力或其他水平力。

臂架自重：

参考同类型产品结构按比例初步估计为4Ｔ

小车及吊钩:

重量初步估计为０.625T

风载荷：

按照塔式起重机设计规范ﻫ

为风力系数,臂架为三角形结构,查表得

为计算风压,工作状态取Ｐw＝2５0ＭP

为迎风面积

—前片结构迎风面积

--后片结构迎风面积

为结构充实率对于桁架取０.4

为结构充实率对于桁架取0．4　　

根据前后片外形轮廓尺寸计算出前后片迎风面积

—前片对后片的挡风折减系数,根据前片充实率及桁架

隔比查表定位０.28

计算可得：

　其他水平力：

回转惯性力

（Ｑ为吊重）

起重臂根据上学期金属结构课程设计得,截面呈三角形结构上主肢采用

（外径121mm壁厚32ｍ）,下主肢采用两根１8ｂ扣方。

斜腹杆采用

（外径3０mm壁厚6ｍ）,水平腹杆采用

（外径３0mm壁厚6m）。

单元统一采用ｂeam1８８

材料分析：

起重臂主肢材料选用Q345钢，弹性模量

a，泊松比0.３，钢材密度7．8５g／cm3；腹杆材料选用Q2３5钢,弹性模量

，泊松比０.３,钢材密度7.8５g／ｃm^3。

结构分析：

手工计算时在起升平面和回转平面都作为悬臂梁计算。

有限元分析时由于起重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:

起重臂与塔身连接,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），上主肢铰接,但考虑到它们实际连接性状上主肢与塔身连接可等效为限制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吊重。

臂架自重通过密度及重力加速度实现，吊重在起重臂一端添加。

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,挡风面所受载荷为迎风面０.28，回转惯性力通过水平横向均布载荷代替。

吊重风载较小忽略该力。

（二）实验过程:

　１.单元选择：

根据起重臂结构特征把起重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。

Beａm188是一种线性梁单元,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单元对细长到中等粗短的梁结构的分析都很适合。

Bｅam18８单元默认为6个自由度,当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及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.设置基本属性:

定义单元为beam188，并且分别定义上下主肢，斜腹杆,水平腹杆的截面,然后定义两种材料的弹性模量，泊松比,密度。

3．建模过程:

（１）MainMenu:

　Prepｒocessor→Ｍoｄeliｎg→Create　→Kｅｙpoｉｎtｓ→Iｎ　Ａｃtive　CＳ→依次输入坐标值。

（2）MainＭenu:

Prｅｐrocessor→Modelｉng→Crｅaｔｅ→Linｅs→lines→Ｓtraightlinｅs→依次连接上一步生成的特征点，形成上下主肢，斜腹杆，水平腹杆。

如下图

4．划分单元：

（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。

（2）对各个杆件进行网格划分并赋予其截面属性。

５.施加载荷:

（1）施加边界约束，起重臂与塔身连接,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，但考虑到它们实际连接性状上主肢与塔身连接可等效为仅限制Ｘ轴方向上的自由度。

（2）在竖直平面内受自重及吊重。

臂架自重通过密度及重力加速度实现，吊重通过在臂架一端施加力。

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，挡风面所受载荷为迎风面0.２8,回转惯性力通过与风载荷同向的水平横向均布载荷代替。

6.后处理:

MaiｎMenu:

solｕtiｏn→sｏlve→currentＬS→OK

7.定义力：

Geｎｅralpostproc→eleｍｅnt　ｔaｂle→define　ｔａbｌｅ→adｄ→ｕserａｂleｆoｒitｅｒｍ　MＹ→bｙｓequencenuｍ→smｉｓc→smisc2→apｐｌy→ｕser　ａｂle　foriterｍ　　ＭZ→ｂysｅquenｃenum→ｓmiｓｃ→smiｓc３→aｐｐlｙ→依次定义SFZ，SＦＹ,SBＹＴ,ＳＢＺT→user　abｌefｏritｅrm→byｓequeｎcenum→sｍisc→apply→依次定义smisｃ5,smiｓc６,smisc３2,smisc34→ｏｋ→close。

处理图如下：

静载（未加回转惯性力）：

弯矩ＭY

水平面内弯矩较小主要集中在与塔身连接处

动载：

弯矩MY

加上回转惯性力弯矩有所增大。

静载:

弯矩ＭＺ

起升平面内弯矩依然是与塔身连接处最大

　动载:

弯矩MZ　

静载剪力SFＺ

动载剪力SFＺ

静载剪力SFY

动载剪力SFＹ

静载应力SBYT

Y方向上应力最大2１．5ＭＰa

动载应力SBYＴ

静载应力SBZT

Ｚ方向上应力最大20.7MPa

动载应力SBＺT

Z方向上应力最大24.4MPa

静载时变形图

最大变形0．6m，符合设计要求

动载时变形图

最大变形0.66ｍ,符合设计要求。

根据起重机设计规范计算的平头式塔机4０ｍ起重臂挠度０．06６56,虽然没有超过,但弯曲仍然很大,其原因可能是原设计中简化为悬臂梁计算的原因。

8.结果校核

　　　动载最大应力Ｙ,Z轴合成为

，所取钢材Q345完全满足要求。

四.结果讨论

通过对比结果可以看出ａnsyｓ软件与手工计算得到的数值相差很大,但最危险出现处（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最在交大系统误差。

五.总结感想

　　通过这次实验周,我认识到了ansys软件功能的强大,很多功能平时我们没有用到过,所以十分生疏,在分析过程中由于知识的缺乏和一些地方的粗心大意,多次导致最终分析不能出结果。

在老师的讲解和询问别的同学的情况下，最终终于解决了这些问题。

　通过这次实验周也是我对ansys和金属结构中学到的知识加深了理解，这对我以后的学习和工作是一次非常重要的经验。