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塔式起重机结构非线性有限元分析及动力学仿真研究

张孟辉  
【摘要】:由于我国高层建筑的增多、工期的紧迫性,这样必然要求用于高层建筑的塔式起重机的高度越高、使用更频繁;金属结构的极限状态设计方法在起重机上的广泛应用,塔式起重机金属结构在最大设计载荷下的非弹性与稳定性效应做到了全面合理的考虑,塔机的线弹性分析设计已经满足不了需求,塔机经常工作在大位移小应变的几何非线性范畴。 在这种趋势下,塔机结构柔度增大,动静态变形也增大。对于塔机的杆件而言,变形很小是小应变状态,塔机总体是大位移,这样来说属于大位移几何非线性范畴。塔机结构主要承受压弯载荷,压力载荷会降低结构的刚度。当结构发生大位移变形时,基于小位移假定的线性分析会导致较大的误差,传统的小位移线性分析已经满足不了现代工程实际的要求,所以必须对塔机结构采用大位移分析。 本文以结构几何非线性有限元理论为基础,把影响塔机塔身水平侧移的大位移小应变的几何非线性的高阶项考虑进去,建立了塔机塔身在轴向力、弯矩和水平力作用下力和位移的刚度方程,利用FORTRAN语言编程求解;另外,利用有限元软件ANSYS分析塔机的几何非线性侧移,两种方法下的数值计算结果,与SAP2000计算的塔机塔身水平线弹性侧移比较其非线性侧移比线弹性侧移大13%左右,说明了塔机静刚度的修改是合理的,并且对塔机的动静刚度提供准确的数据支撑,为塔机的截面设计提供参考。 对塔式起重机利用计算机建立虚拟样机模型,对各机构、结构在一定的工况下进行动力学仿真分析,得到塔机虚拟样机在某一工况下的相关动力学响应,为实际中的塔机设计和校核提供有力的数据支持。 本文以F_120B塔机为研究对象,在三维软件Pro/E中建立塔机的简化模型,通过其与动力学仿真软件ADAMS的接口软件Mechanism/Pro导入到ADAMS中,利用ANAYS生成的起重臂的模态中性文件,导入到ADAMS中,建立塔身起重机的刚柔耦合虚拟样机模型,实现在不同工况组合下塔机的多体动力学仿真,可以为塔机设计的完善和优化提供数据支持,有效的缩短产品设计周期并且降低产品的研究费用。


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