塔式起重机起升动载激励下的瞬态响应分析VIP专享VIP免费

建筑机械化2011(08)35塔式起重机起升动载激励下的瞬态响应分析Thetransientresponseoftowercraneindynamicloading沈荣胜，王胜春，张青SHENRong-sheng,WANGSheng-chun,ZHANGQing（山东建筑大学，山东济南250101）以QTZ5510塔式起重机为实例，首先根据实际结构建立动力学简化模型，得到随时间变化的激励载荷函数；然后建立塔式起重机有限元模型，通过瞬态动力学的求解，分析载荷起升瞬间对塔式起重机结构的动态冲击，获得了结构应力分布情况，进而分析塔式起重机结构在动态冲击下的影响，为塔式起重机设计及操作施工等提供了参考。塔式起重机；起升动载；瞬态响应[摘要][关键词]塔机是一种经常启动、制动和具有复杂耦合运动的建筑机械。工作时各机构频繁地起动或制动引起强烈的振动和冲击，并产生持续时间较长的衰减振动，这是塔机结构破坏的主要原因之一。塔机最不利的工况是急速起升重物会产生较大的动力载荷。因此，本文针对塔机离地起升过程进行研究，分析塔机结构体系在起升动载荷激励下的动态过程及受力情况，从而为塔机的设计、生产提供理论和实践上的指导，对于塔机的经济性和安全性都具有非常重要的意义。1塔机有限元模型的建立为了使建立的塔机结构动态分析模型更加合理，建模时须进行必要的处理:①回转支座相对塔机而言几何尺寸小、刚度大、质量集中且不易失稳，可采用梁单元进行等效处理，减少塔机整体分析时的单元种类，避免了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的连接问题，以便进行后处理分析；②塔机附件(如电机等)几何尺寸较小、质量集中，可采用质量单元来处理；变幅小车、吊钩与吊重同步，可一起作为起升载荷处理，根据圣维南原理，这种处理对塔机整体应力的大小及分布无大的影响，为方便建模，对平衡重部分、起升机构、变幅机构采用质量单元来模拟；③塔身底部结构刚度大，与地脚螺栓相连，约束底部4个节点的所有自由度；起重臂、平衡臂与回转节连接处及拉杆与起重臂、平衡臂、塔顶连接处可视为铰支座，采用耦合处理，仅释放绕其销轴转动自由度，以反映其真实连接情况；塔身的刚度大，上部弯矩小，可把塔帽与上回转支座的连接及下回转支座与塔身的连接作为固定支座。塔机各部分杆件的材料属性均选用钢材的属性，即弹性模量E＝210GPa，泊松比m＝0.3，密度r＝7800kg/m3。由于塔机大多数杆件主要承受轴向力外还承受如弯矩、扭矩、剪切等内力，为提高建模的准确性，选用了考虑拉压、弯曲和扭转刚度的空间梁单元Beam188[1]进行建模。平衡臂及起重臂拉杆选择Link8单元模拟即可满足分析要求。Link8是2节点3自由度的轴向拉压三维杆单元，不考虑杆件的弯曲及扭转变形，具有塑性、蠕变、大变形等多种特性。质量单元选用Mass21，Mass21具有1节点6自由度:沿x、y、z向的平动及绕x、y、z轴的转动，能体现三维结构的质量集中。根据选择的单元类型及定义的参数，采用直接法和间接法相结合的建模方法[2]建立如图1所示的塔机结构有限元模型，该模型由1283个单元和557个节点组成。2动力学模型的建立塔机是一个多质量、多自由度的振动系统，设计研究Design&Research362011(08)CONSTRUCTIONMECHANIZATION研究时需建立多元微分方程，求解非常复杂，很难得到确定的解。随着振动理论的完善、计算机技术的发展，采用多质量、多自由度的力学—数学模型进行计算已成为可能，但由于计算形式繁琐，大大降低了使用价值。目前仍趋向于采用简化模型计算。通常把塔机起升机构的实际模型简化为1个3质量2自由度的动力学模型[3]。具体模型如图2所示。图中，m0为结构在起升重物悬挂点的转化质量，m1为起升机构传动零件转动惯量转化至卷筒周向的质量；m2为起升重物的质量。载荷离地起升过程可分为2个阶段。第一阶段是重物在地面上不动，松弛的钢丝绳开始张紧，钢丝绳内力随之逐渐增加，将其作为外激励施加于塔机结构，使塔机结构开始振动，在此阶段，载荷仍处于静止状态。当钢丝绳内力达到起升载荷重力时，载荷开始离地起升，第一阶段结束。第二阶段以起升载荷离地瞬时为计时零点，包括起升载荷在内的整个系统将作自由振动。当起升载荷的速度稳定于额定起升速度时，结构静止于静平衡位置上，载荷离...