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塔式起重機(jī)(以下簡稱塔機(jī))是一種重要的施工機(jī)械，由于具有工作效率高、使用范圍廣、回轉(zhuǎn)半徑大、起升高度高、操作方便以及安裝與拆卸簡便等優(yōu)點(diǎn)，已成為工程建設(shè)中的主要機(jī)種之一。塔機(jī)臂架(即塔機(jī)的工作裝置)是塔機(jī)的重要組成部分，它是靠電動機(jī)驅(qū)動來完成物料吊卸的空間析架結(jié)構(gòu)，其設(shè)計水平的高低直接影響整機(jī)的工作性能。
塔機(jī)臂架作為塔機(jī)的工作裝置，在塔機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計內(nèi)容中處于核心地位，但其傳統(tǒng)的設(shè)計方法普遍是依據(jù)材料力學(xué)中的許用應(yīng)力校核原理得出的，真正分析的對象僅僅是臂架結(jié)構(gòu)的截面形狀和面積等參數(shù)。由于受工作量限制，該方法只能驗(yàn)算幾個在理論上認(rèn)為是危險的截面，計算的精度從建模開始就受到限制，不僅工作量很大并且具有一定的盲目性，已不能適應(yīng)由激烈市場競爭造成的最短周期產(chǎn)品設(shè)計的要求。
伴隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，目前國內(nèi)外先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計制造都離不開有限元分析，在工程設(shè)計和分析中受到越來越廣泛的重視，其計算結(jié)果不僅詳盡，而且更具可靠性。采用有限元分析的方法進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計計算將會極大地提高設(shè)計效率、保證其設(shè)計質(zhì)量。設(shè)計者只需借助通用有限元軟件建立模型并進(jìn)行仿真分析，就能真實(shí)地反映機(jī)械產(chǎn)品的尺寸外形特征和工作過程，并進(jìn)行各種類型的力學(xué)分析，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，從而有效地縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本，使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能更加合理。本文應(yīng)用有限元軟件ANSYS對塔機(jī)臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速校核分析。
塔機(jī)在工作過程中絕大部分的載荷來自自重和吊重的作用，還包括慣性載荷、風(fēng)載荷等。但是無論這些外界載荷作用點(diǎn)在塔機(jī)的什么部位，最終都要傳遞給塔機(jī)鋼結(jié)構(gòu)，因此，鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能很大程度上決定了整機(jī)質(zhì)量的好壞。作為工作裝置的臂架鋼結(jié)構(gòu)更是如此，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等性能是塔機(jī)整體鋼結(jié)構(gòu)最為核心的內(nèi)容。為了考察臂架鋼結(jié)構(gòu)有限元分析的效果，本文嘗試對QTZ40塔機(jī)的臂架鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度和模態(tài)特性分析。
靜態(tài)有限元分析是計算在固定不變的載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響以及結(jié)構(gòu)隨時間變化的載荷情況，通過結(jié)合有限元理論，從靜力學(xué)、幾何學(xué)和物理學(xué)三方面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計算節(jié)點(diǎn)在載荷作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移，從而在塔機(jī)產(chǎn)品設(shè)計初期全面了解其在不同工況下的強(qiáng)度狀況，確定應(yīng)力、應(yīng)變危險點(diǎn)，同時也能為塔機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行分析指導(dǎo)。
模態(tài)特性分析也是有限元分析中的重要內(nèi)容，它主要用于確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，同時也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)方法對處于設(shè)計階段的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析主要采用計算方法和模態(tài)參數(shù)識別實(shí)驗(yàn)法，以獲得相應(yīng)的模態(tài)參數(shù)。通常需求的模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等，其中最重要的是頻率、振型和阻尼比。對于無阻尼系統(tǒng)需求的模態(tài)參數(shù)就是固有頻率和振型，這兩個參數(shù)對于識別和改善結(jié)構(gòu)動態(tài)特J陛有著重要的意義，因?yàn)樗砻髦谀膸追N頻率下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共振以及在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對變形。但是由于塔機(jī)臂架體積大、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，屬于多自由度系統(tǒng)，而多自由度系統(tǒng)振動時，同時有多階模態(tài)存在，每階振動模態(tài)就要用一組模態(tài)參數(shù)來確定。故而采用傳統(tǒng)方法對其進(jìn)行模態(tài)分析具有一定難度。應(yīng)用有限元分析的方法很好地解決了這一問題。
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