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1、!#$%!上半月刊$!塔式起重机塔身结构参数化计算系统李!斌!刘兴哲!梁鹏洋沈阳建筑大学!交通与机械工程学院!辽宁!沈阳!#)+#!摘要!以参数化方法对塔式起重机塔身进行建模#施加载荷以及后处理结果的显示$从而实现参数化分析的全过程$研究开发出一套适合实际应用#简洁#方便的塔式起重机塔身结构参数化计算系统%主要分析了塔式起重机上部载荷计算系统中在不同臂长状态下所对应平衡重的求解过程$进而得到作用在塔身顶部的各集中载荷并加载%在完成塔身内特性载荷加载后进入求解器$得到塔身结构!包括附着架上各单元的应力情况$结果通过V*可视化平台清晰展现%!关键词!参数化&塔式起重机&塔身&计算系统!中图分类号)
2、!#*$*!文献标识码*!文章编号#+(%,#!#$%+&,+(E/&A(#(3&#-D&1%.3 A$-*2),)&3./&0.1,)#$%$#&./&.&#%#(*&(*;3$(7,;3 6+O 1 G$(./$G 3 6+S 9 3 6塔式起重机的设计计算量大#要求精度高$为了提高计算效率和计算精度%本文研究开发了一套适用于塔身计算的参数化软件系统%本系统以可视化软件V;M 2 9 Q*9 M;I为基础$根据塔机的工作特点和起重特性$以人机交互方式计算不同臂长状态下的平衡重$经人工选择确定后再回馈到系统中%在此基础上$系统能够确定塔身上部结构#机构和平衡重等产生的垂直载荷#水平载荷和弯矩
3、等计算载荷%本计算系统用有限元分析软件.0=0计算塔身结构$并以V;M 2 9 Q*9 M;I为开发工具$将V;M 2 9 Q*9 M;I与.0=0相结合$实现两者之间的数据传输与调用$保证了计算的准确性$简化了建模与加载等处理过程%计算系统收集了目前已有的塔身结构型式和常用杆件$其计算结果可以给出塔身结构各单元的受力状态%4!塔身参数化计算系统总体设计本系统主要包括上部载荷计算系统#结构参数化建模#约束条件处理#计算载荷处理与加载#求解与后处理等部分%上部载荷处理系统可以完成平衡重的计算与确定选择$并计算出塔身上部垂直载荷#水平载荷和弯矩$为塔身计算提供计算载荷%结构参数化建模实现了塔身几何
4、模型的参数化和网格划分的参数化$并将约束条件和后处理等也进行了参数化处理$最后通过V*将$软件.+!#$%!上半月刊#(!0=0和可视化程序软件V*为基础$利用各自程序代码编写$建立各参数间的连接#调用$充分利用二者各自的优势$完成塔身结构参数化建模%大幅度缩短了建模周期并提高了系列化产品的易修改性%塔身参数化建模是以.0=0与V*的混合编程为机理$以V*作为第一界面$在V*中调用$以及将V*中获得的用户信息回传到$3 40 2 D5 7 4!塔身结构参数化本文研究的塔身结构型式为空间桁架结构$在参数化建模过程中采用自下而上的几何建模方式$几何建模完成后再划分有限元网格$形成单元%参数化建模中
5、的参数设置包括结构尺寸参数#结构型式参数以及建模过程中临时用到的参数$这些参数都用变量来保存%结构尺寸参数包括塔身标准节节间间距#节间个数#标准节个数以及标准节主肢跨距等%结构型式参数包括单元类型#材料特性#截面特性%塔身选用*&#+单元建模$塔身结构主要由型钢组成$在实际工作中会产生拉#压#弯曲变形%*&#+单元是三维线性有限应变梁单元$基于);5 M 1 G 3 A 5梁结构理论$其形函数中挠度和截面转动各自独立插值$并考虑了剪切变形的影响%该单元有!个关键点$默认情况下每个关键点上有)个自由度,&#及(方向的平动!7,#7=#7 F和 绕&#及(轴 的 转 动!#8),#8)=#8)F%
6、选取弹性模量0!#&$9#泊松比90$*%根据梁单元命令0%)=$#0%8 J J 0 )#0%)确定塔身主肢#横腹杆#斜腹杆中所需的#)个截面特性参数%临时参数是指在建模过程中$随着参数化界面的增多$某些已定义的参数需被再次调用$为了避免重新输入带来的不便或再次输入时出现偏差$在使用号码时应通过选择逻辑#组件名或%/)函数来选取图元获取该号码$并将该号码保存在变量中再次使用$这些变量作为临时参数被保存起来%塔身整体建模过程中$为了使所建模型更为合理并方便于计算$应对塔身进行简化处理%因此$在实际建模中省略了爬梯#钢板网#销轴等配件$这种简化直接导致了塔身自身重量的减轻$系统可以通过改变材料密
7、度来保证塔身自重的准确性%由于塔身结构均以钢材为主$因此$首先以理论密度&$+(/#)A 6*建模$计算出塔身模型的实际重量$再将此实际重量与塔身理论重量相除后乘以系数&$+(/#)$最后得到塔身计算密度$并将此计算密度值再次输入到参数化列表中$用于塔身参数化的后期计算%本系统能够完成主肢方钢#角钢型&腹杆方钢#角钢#槽钢型&标准节节间结构E字形#F字形等多种样式的塔身建模%各结构特性均以参数形式在V*界面中输入$完成不同型式塔身的参数化建模$结构型式与结构模型参见图(#图)所示%图9!塔身结构型式图:!塔身结构模型5 7 6!附着架结构参数化完成塔身结构参数化后$再对塔身附着架进#)!#$%
8、!上半月刊行参数化%对于超出自立高度工作的塔机需要加装附着架$以保证塔机工作的稳定性%附着架的建模方式与塔身基本相同$在参数输入过程中需要确定附着架存在的位置和数量%为了保证附着架正好位于标准节的节点上$附着架位置以及两附着架间距均以标准节个数来确定%在明确塔身标准节总数的基础上$通过输入第一道附着架到基础顶面间隔的标准节数量$最后一道附着架到塔身顶面间隔的标准节数量和两道附着架之间间隔的标准节数量$V*编译程序可确定出附着架的准确位置和数量%附着架材料特性#截面特性#建筑物到塔机回转中心距离及附着架跨距等参数均通过V*界面输入具体数据$最后完成整个塔身附着系统的参数化%图&所示为有附着架塔身
9、系统有限元建模图%图;!带附着架的塔身结构模型8!加载与求解完成塔身整体建模后$将上部载荷计算系统中已经得到的塔身顶部各种集中载荷依据计算工况进行调整$并加载到塔身结构主肢的顶部%其中$顶部弯矩&和顶部集中载荷转化为主肢轴向力$具体算法如下,!#起重臂平行于塔身截面轴线的工况%前主肢轴力)R#为)R#0*%-+!%!#式中!+)顶部集中弯矩$以前倾力矩为正&*)塔身顶部总垂直力&%)塔身截面相邻主肢中心线间的距离%后主肢轴力)D#为)D#0*%+!%!起重臂处于塔身截面对角线方向的工况%前主肢的轴力)R!为)R!0*%-+槡!%!*后主肢的轴力)D!为)D!0*%+槡!%!%其余两主肢的轴力)
10、为)0*%!(水平载荷平均分成%份$再分别加载到塔顶%个主肢节点上%沿塔身的载荷还有分布载荷$就是行走惯性力和风载荷$这两部分载荷均依据-塔式起重机设计规范.中规定的计算方法进行计算$并离散分布到塔身的各节点上%其中$加载风载荷时需要考虑到两种情况$一是风沿着塔身对角线方向吹$二是风沿着与塔身截面轴线平行方向吹%两种情况均按照塔机设计规范计算并加载$在完成全部加载后进入求解器求解%图!参数化后处理界面9!后处理与结果显示塔身求解后进入参数化后处理阶段$通过V*对各段$!塔身整体结构变形图!本系统应用$对.0=0进行二次开发$并结合V*建立塔身的参数化模型%通过参数赋值进行结构设计#载荷输入$整个操作过程方便$操作过程规范$能有效缩短建模计算时间和提高计算的准确性%!*经过大量的实例验证$本系统运行可靠$计算结果正确$能够用于实际产品的设计计算$对提高产品的设计效率具有重要意义%!参考文献*#+博弈创作室$Q G+G 3 P;D?9?S*&+$7$0$,&0%$0 5 R P U 9?G%5?N 5?9+P;5 3$!#$