基于Ansys经典界面的塔机附墙撑杆计算

作者：圆周率  转载请注明出处

前言随着城市高层建筑的不断涌现，对塔式起重机（以下简称塔机）的安装高度提出了更高的要求。塔机附着装置（以下简称附墙）作为保证塔机稳定性的重要部件，其设计也就显得尤为重要。本文主要以某塔机为例简单介绍如何通过商业有限元软件Ansys计算塔机在使用过程中附墙每根撑杆内力。

通常塔机一般使用三撑杆或者四撑杆附墙，三撑杆附着一般使用在中小型塔机上，如QTZ63及40，四撑杆附墙一般使用在大型塔机之上，如QTZ80、QTZ125或以上，本文以四撑杆附墙为例，撑杆1至撑杆4两端均为铰接，忽略撑杆自重，可将四根撑杆简化为杆，使用link180单元模拟，附着框为焊接件，故四根附着框使用beam189模拟，附着形式如图1所示。

图1 计算简图

    众所周知，从塔机吊起重物到最终放下重物完成一个工作循环，除起升和变幅外，其大臂需要围绕回转中心旋转一定角度，随着大臂旋转角度的不同，塔身传递给附墙的集中力的角度亦不同，为保证塔机在整个工作循环中附墙的强度和稳定性，需要对集中力从0度~360度之间均进行计算。依靠手算计算每根撑杆的内力显得捉襟见肘，但依靠Ansys Apdl编程，效率上则会提高很多。

    以本文中四撑杆附墙为例讲解如何通过Ansys经典界面求解附墙撑杆内力。其模型建立相对简单，不再阐述，其材料为结构钢，弹性模型E=2.1E5，泊松比μ=0.3,4根撑杆为link180单元，4根附着框为beam189单元，撑杆与墙体连接部位全部固定，如图2。

图2 有限元模型

其余部分的关键Apdl代码如下：

*do,i,1,360,1   !变量i为角度计数器，每执行一次角度循环计算，i加1，直到i=361时退出循环

/solu

*if,i,le,90,then                  !如果i小于等于90度，则执行以下两行代码

f,203,fx,50000*cos(i*3.14/180)    !注意弧度与角度的切换

f,203,fy,50000*sin(i*3.14/180)

*endif

*if,i,gt,90,and,i,le,180,then      !91~180度

f,203,fx,-50000*sin(i*3.14/180-90*3.14/180)    !注意弧度与角度的切换

f,203,fy,50000*cos(i*3.14/180-90*3.14/180)

*endif

.......      !为减少篇幅，181~360度的计算代码省略

/post1

etable,fi,smisc,1        ! 提取杆单元的轴向力

*get,vstress(i,1),elem,1,etable,fi     !将1号杆单元（单元号1）的轴向力存入vstress数组中，以下类同

*get,vstress(i,2),elem,103,etable,fi   !将2号杆单元（单元号为103）的轴向力存入vstress数组中，以下类同

*get,vstress(i,3),elem,102,etable,fi

*get,vstress(i,4),elem,104,etable,fi

*end do

    值得注意的两点是，其一，本文加载集中力采用分量形式加载，即将某一角度集中力分别投影至X轴和Y轴，但随着角度不同，其正负号亦不同；其二，施加约束时应将4根撑杆和4根附墙框的平面法向方向的位移约束住，因为附着撑杆采用link180模拟，虽然添加附墙与墙体的约束时将所有自由度的约束固定，但只固定了三个方向的平动自由度，其转动自由度未固定，若此时计算，将会发生刚体位移，导致求解失败。

    求解后将数据导入Excel绘图，得到如图3：

    图3 附墙撑杆内力变化图

    从图3可知，随着大臂角度的变化，其撑杆的内力呈周期性变化，且撑杆时而受拉，时而受压，故在设计附墙撑杆时除进行强度计算外，还需要进行压杆稳定性验算。

    总结：由上文可知，通过Ansys的Apdl编程，可以快速、方便的计算附墙撑杆在塔机大臂每个角度的内力变化值，为设计人员提供了充分可靠的设计依据，若读者感兴趣可更深入的思考一些问题，本附墙撑杆未进行对称布置，读者可以试着将4根撑杆沿着塔身对称布置，对比两个布置的撑杆内力，是否有所变化？如何布置才能将4根撑杆的内力值降到最低，这些都是值得探索的课题，本文仅作抛砖引玉之用。

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