本文摘要:本篇工程論文通過對塔式起重機有限元結構分析中若干問題的研究,給出了有限元結構分析的整體思路、主要步驟。探討了實施過程中,結構的簡化、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構詳細的變形與應力分量,為結構評定與優(yōu)化設計提供準確的
本篇工程論文通過對塔式起重機有限元結構分析中若干問題的研究,給出了有限元結構分析的整體思路、主要步驟。探討了實施過程中,結構的簡化、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構詳細的變形與應力分量,為結構評定與優(yōu)化設計提供準確的依據。
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摘要:塔式起重機金屬結構屬大型空間超靜定結構,工況繁多、載荷復雜,使用傳統(tǒng)的工程計算方法對其進行全面準確的結構分析是非常困難的。隨著計算機技術的快速發(fā)展,有限元法在塔式起重機結構靜、動力及穩(wěn)定性分析方面獲得了廣泛應用。
關鍵詞:塔式起重;金屬結構;有限元法
一、有限元分析簡介
有限元法是現今理論最成熟、應用最廣泛的數值計算方法。使用有限元方法對塔式起重機進行結構分析[1],可以模擬最惡劣載荷和工況下塔式起重機結構的受力和變形情況,準確地計算結構的應力應變,使產品在設計階段就能夠對其性能進行評估,及早發(fā)現設計上存在的問題,從而大大縮短開發(fā)周期。
有限元法的基本過程包括結構離散、單元分析、整體分析、引入邊界條件、求解線性方程組、計算應力應變。進行有限元分析通常需要以下三個步驟:
(1)對結構進行簡化,選用適當的單元將結構進行離散(劃分網格),建立有限元模型;
(2)在有限元模型上施加位移約束和荷載,對有限元模型進行計算;
(3)對計算結果進行查看、提取、處理與評價
二、有限元在塔式起重機結構分析中的應用
國內外塔式起重機設計行業(yè)已經將有限元應用于結構分析,如進行結構靜力分析、動態(tài)分析及穩(wěn)定性分析等。在塔式起重機有限元分析中,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)單獨建模分析,如圖1所示;另一類是建立塔式起重機金屬結構整體有限元模型,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@得更為準確的分析結果。
三、塔式起重機有限元結構分析方法
使用有限元進行塔式起重機結構強度、剛度及穩(wěn)定性分析的總體思路是:把有限元作為結構分析的手段,計算出在危險工況和載荷組合作用下,結構的內力與變形,用現行規(guī)范[3,4]中給出的公式進行校核。其主要步驟為:
(1)以現行規(guī)范為依據,根據塔式起重機的類型特點及工作性能確定分析工況[5];
(2)確定計算載荷及載荷組合;
(3)建立塔式起重機整體或部件的有限元分析模型,計算各載荷組合作用下結構響應參數,如結構變形、內力分量等;
(4)利用求得的各單元內力及變形分量,代入現行規(guī)范中的公式,對結構的強度、剛度及局部穩(wěn)定性進行評定。
建立有限元模型時,應對結構進行必要的簡化,以便于離散。塔式起重機各部分結構的幾何特征和受力特性不盡相同,應該根據實際情況選擇相應的單元進行離散。對起重臂、塔身這類由鋼桿焊接而成的桿件結構,取各桿形心軸線建立幾何模型,采用梁單元或管單元進行離散,桿與桿之間采用剛結點連接,以考慮次內力的影響。對回轉臺這類由鋼板焊接而成的結構,取各板中面建立幾何模型,用板殼單元進行離散。起重臂拉桿僅承受軸向力的作用,使用桿單元進行離散。
在完成幾何模型的離散化之后,首先對模型施加約束條件以消除剛體位移,然后將計算的載荷按相應的載荷組合施加到有限元模型上。各載荷的數值、方向和作用位置應按對結構產生最不利作用的原則進行迭加。
在處理完邊界條件后,就可以進行求解,獲得各單元的位移、內力、應變、應力、支座反力等結果。起重臂、塔身等、塔帽等結構中的桿件均屬于拉(壓)彎構件,通過提取各桿件所屬單元的計算結果(如軸向力、彎矩等),代入規(guī)范中相應的計算公式,就可以對桿件的強度、剛度及穩(wěn)定性進行校核。
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