本文摘要：本篇工程論文通過(guò)對(duì)塔式起重機(jī)有限元結(jié)構(gòu)分析中若干問(wèn)題的研究，給出了有限元結(jié)構(gòu)分析的整體思路、主要步驟。探討了實(shí)施過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化、離散以及邊界條件的處理方法。使用有限元分析可以得到結(jié)構(gòu)詳細(xì)的變形與應(yīng)力分量，為結(jié)構(gòu)評(píng)定與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的
本篇工程論文通過(guò)對(duì)塔式起重機(jī)有限元結(jié)構(gòu)分析中若干問(wèn)題的研究，給出了有限元結(jié)構(gòu)分析的整體思路、主要步驟。探討了實(shí)施過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化、離散以及邊界條件的處理方法。使用有限元分析可以得到結(jié)構(gòu)詳細(xì)的變形與應(yīng)力分量，為結(jié)構(gòu)評(píng)定與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確的依據(jù)。
《系統(tǒng)工程學(xué)報(bào)》主要刊登：系統(tǒng)工程和管理工程領(lǐng)域高質(zhì)量的論文，內(nèi)容包括復(fù)雜系統(tǒng)理論與應(yīng)用、控制理論與應(yīng)用、系統(tǒng)建模與預(yù)報(bào)、優(yōu)化理論、決策與對(duì)策、金融工程、生產(chǎn)計(jì)算機(jī)與高度、供應(yīng)鏈、電子商務(wù)、管理信息系統(tǒng)、交通系統(tǒng)工程、可靠性分析及相關(guān)的人工智能技術(shù)等。本刊適合于：從事系統(tǒng)工程和管理工程的研究員、高校師生閱讀。
摘要：塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)屬大型空間超靜定結(jié)構(gòu)，工況繁多、載荷復(fù)雜，使用傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行全面準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)分析是非常困難的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，有限元法在塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力及穩(wěn)定性分析方面獲得了廣泛應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：塔式起重;金屬結(jié)構(gòu);有限元法
一、有限元分析簡(jiǎn)介
有限元法是現(xiàn)今理論最成熟、應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。使用有限元方法對(duì)塔式起重機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析[1]，可以模擬最惡劣載荷和工況下塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，準(zhǔn)確地計(jì)算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就能夠?qū)ζ湫阅苓M(jìn)行評(píng)估，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上存在的問(wèn)題，從而大大縮短開(kāi)發(fā)周期。
有限元法的基本過(guò)程包括結(jié)構(gòu)離散、單元分析、整體分析、引入邊界條件、求解線性方程組、計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變。進(jìn)行有限元分析通常需要以下三個(gè)步驟：
(1)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，選用適當(dāng)?shù)膯卧獙⒔Y(jié)構(gòu)進(jìn)行離散(劃分網(wǎng)格)，建立有限元模型;
(2)在有限元模型上施加位移約束和荷載，對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算;
(3)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行查看、提取、處理與評(píng)價(jià)
二、有限元在塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用
國(guó)內(nèi)外塔式起重機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)已經(jīng)將有限元應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析，如進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析、動(dòng)態(tài)分析及穩(wěn)定性分析等。在塔式起重機(jī)有限元分析中，建模方案可以分為兩類[2]：一類是把要分析的部件(如起重臂、塔身等)單獨(dú)建模分析，如圖1所示;另一類是建立塔式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)整體有限元模型，如圖2所示。后一種建模方案，考慮了各部件之間的耦合作用，通�？梢垣@得更為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
三、塔式起重機(jī)有限元結(jié)構(gòu)分析方法
使用有限元進(jìn)行塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性分析的總體思路是：把有限元作為結(jié)構(gòu)分析的手段，計(jì)算出在危險(xiǎn)工況和載荷組合作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，用現(xiàn)行規(guī)范[3,4]中給出的公式進(jìn)行校核。其主要步驟為：
(1)以現(xiàn)行規(guī)范為依據(jù)，根據(jù)塔式起重機(jī)的類型特點(diǎn)及工作性能確定分析工況[5];
(2)確定計(jì)算載荷及載荷組合;
(3)建立塔式起重機(jī)整體或部件的有限元分析模型，計(jì)算各載荷組合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)，如結(jié)構(gòu)變形、內(nèi)力分量等;
(4)利用求得的各單元內(nèi)力及變形分量，代入現(xiàn)行規(guī)范中的公式，對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及局部穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)定。
建立有限元模型時(shí)，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化，以便于離散。塔式起重機(jī)各部分結(jié)構(gòu)的幾何特征和受力特性不盡相同，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的單元進(jìn)行離散。對(duì)起重臂、塔身這類由鋼桿焊接而成的桿件結(jié)構(gòu)，取各桿形心軸線建立幾何模型，采用梁?jiǎn)卧蚬軉卧M(jìn)行離散，桿與桿之間采用剛結(jié)點(diǎn)連接，以考慮次內(nèi)力的影響。對(duì)回轉(zhuǎn)臺(tái)這類由鋼板焊接而成的結(jié)構(gòu)，取各板中面建立幾何模型，用板殼單元進(jìn)行離散。起重臂拉桿僅承受軸向力的作用，使用桿單元進(jìn)行離散。
在完成幾何模型的離散化之后，首先對(duì)模型施加約束條件以消除剛體位移，然后將計(jì)算的載荷按相應(yīng)的載荷組合施加到有限元模型上。各載荷的數(shù)值、方向和作用位置應(yīng)按對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利作用的原則進(jìn)行迭加。
在處理完邊界條件后，就可以進(jìn)行求解，獲得各單元的位移、內(nèi)力、應(yīng)變、應(yīng)力、支座反力等結(jié)果。起重臂、塔身等、塔帽等結(jié)構(gòu)中的桿件均屬于拉(壓)彎構(gòu)件，通過(guò)提取各桿件所屬單元的計(jì)算結(jié)果(如軸向力、彎矩等)，代入規(guī)范中相應(yīng)的計(jì)算公式，就可以對(duì)桿件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性進(jìn)行校核。
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