塔机多工况有限元分析快速求解的研究

发布时间：2020-09-28 07:17

　　塔式起重机广泛应用于高层建筑施工,根据建筑需要将物品在很大空间内升降和搬运,工作时间长且强度大,工况复杂且多变。塔机工作过程需要频繁启(制)动,随着变幅小车和回转位置变化,塔机金属结构各杆件内力、应力变化极其频繁。由于其工况特殊性,塔机结构所受荷载是一个连续的随机过程,这种荷载作用下结构的失效多表现为疲劳破坏。近年来塔机倾倒、断臂事故频发,相当一部分原因在于塔机金属结构在繁复的常规运行工况下发生疲劳失效。因此需要对不同运行工况下的塔机结构进行结构分析,确定不同工况下塔机各杆件应力值大小以及整机最大应力值出现位置,同时获得各节点位移、各杆件应力值随工况和时间变化的变化趋势,并对分析结果作出精确的安全分析和评估以确保塔机安全运行。有限元分析法是结构分析的重要方法,但目前主流的商业有限元软件一次仅能加载少数工况,多工况加载需要按载荷分批次进行,当工况数量很大时(例如工况数量成百上千)对于大批量工况数据求解费时费力,难以实现。本文基于有限元梁、杆单元分析原理,大型稀疏线性方程组数学求解原理,结合塔机工况数据转化为载荷数据计算原理,利用Fortran编程语言结合APDL(ANSYS参数化语言)编制了塔机多工况有限元静力分析快速求解软件。其中多工况条件参数由塔机记录仪采集可得,求解器利用全稀疏存储技术和有限元多线程并行计算方法实现了同一塔机模型同时加载求解任意多个工况,可获得不同工况条件下该塔机任意杆件的位移、内力和应力大小,并建立相应的结果数据库。最后通过塔机工程实例分析验证了多工况求解器计算结果的准确性和快速性。本文开发的求解器特点如下:1.利用了双共轭梯度法求解有限元总体刚度方程,在保证迭代收敛性和精度要求的同时,不仅可以降低求解器的存贮量,还能提高求解效率和速度。2.采用了Fortran中OpenMP(共享存储并行编程)多线程并行计算方法和全稀疏存储技术,可节省大量存储空间,同时加快有限元总体平衡方程求解速度,确保多工况求解的快速、高效性。3.采用直接读取输入、输出数据文件的方法,通过格式化读取APDL格式文本文件,省去了繁琐的交互式参数输入界面。由于采用ANSYS参数化设计语言APDL,可同步利用ANSYS软件前、后处理平台,实现求解模型可视化。4.根据多工况条件下求得的结果数据库文件,可绘制任意单工况下不同杆件应力曲线以及多工况下任意杆件随工况变化的应力时间历程曲线。杆件应力随工况和时间变化规律对于塔机动态安全性能评估和寿命评估十分重要。
【学位单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH213.3
【部分图文】：

塔机,外载荷

根据起重机设计规范GB/T 3811-2008相关规定[39]，作用于塔机的载荷分类如图4.1所示：图 4.1 塔机外载荷分类Figure 4.1 Load classification of tower crane由于塔机所受外载荷复杂多变，根据 GB/T 13752-1992 规定[40]，塔机正常工作时结构强度按载荷组合 B 进行计算，即在常规工作的任意工况条件下都必须考虑起升载荷、自重载荷、回转惯性载荷、变幅惯性载荷及工作状态风载荷等因素。4.2.1 起升载荷、自重载荷计算(一)起升载荷计算[41]： 2( )QP F G D g(4.1)式中：QP 起升载荷大小，N ；F 塔机吊重大小，kg ；G 变幅小车重量，；D吊钩组重量，；g 重力加速度

效果图,效果图,载荷,节点集

ANSYS中起升载荷施加效果图

风载荷,塔机,载荷等效

ANSYS中风向为0o的塔机风载荷施加Figure4.5Thewindloadoftowercraneunder0degreewindloadinANSYS

【参考文献】