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塔式起重机结构系统动态优化设计分析

发表时间：2020/11/9 来源：《基层建设》2020年第21期作者：厉乐乐

[导读] 摘要：塔式起重机在运行时，由于各部分构件的功能被频繁转换应用，因而使得结构受振动和冲击力较大，在长时间的工作下，对其性能会产生较大的影响，结构部件容易出现疲劳破损。

        浙江省特种设备科学研究院浙江杭州 310020
        摘要：塔式起重机在运行时，由于各部分构件的功能被频繁转换应用，因而使得结构受振动和冲击力较大，在长时间的工作下，对其性能会产生较大的影响，结构部件容易出现疲劳破损。而且由于工程中高强度钢材的广泛应用，结构的性能稳定性及强度已经满足不了需求，关于塔机结构的动态性能设计逐渐受到关注。鉴于此，本文对塔机结构动态性能优化设计进行了有关分析，以供参考。
        关键词：结构系统；塔式起重机；动态设计优化
        在如今的社会环境下，具有高强度的钢材使用非常广泛，塔式起重机的应用，其性能稳定性和强度逐渐出现不相符的问题，有关塔机结构动态性能的设计研究被重视起来。所以，在进行塔机结构系统设计时，要注重对动态性的优化，使结构系统的多方面指标性能得到提升。鉴于复杂振动系统设计动态参数和变量之间存在非线性联系，因此在设计时需要进行有限元分析。
        1.塔机的有限元动力学模型
        1.1模型建立的原则和结构优化
        建立模型的方法主要有直接建模法、实体建模法、CAD系统实体建模法等。在进行空间位置确定时，需要注意节点问题，模型的建立要确保连续性。如果是直接建模，点、线、面都要一一建立，同时单元节点要进行编号，结构如果复杂性较强，要想使有限元分析过程中的计算量减少，可以从力学特征方面来反映塔机的结构特性，这样模型能够得到简化。模型的简化可以使工作的复杂性降低，使设计的前期时间缩短，这样后续工作的效率也能提高。在对回转结构进行简化时，可以从两方面进行，一是使用实体单元和板壳单元，使节点更加自由，这样耦合处理的自由性更好。另外，回转结构等部件相比较塔机整体来讲，重量轻而且相对集中，在对结构整体进行分析时可以从实体部件着手进行等效处理。
        1.2单元选择
        在进行单元分析时，类型的合理性要确保，通常在单元库中所涉及到的种类有上百种，特性不同，功能上也存在差异。在进行结构分析时，根据结构的应力状态来选择相对应的单元种类。在实际选择时，应该尽量的选择低单元，这样比较容易实现预期效果，而如果遇到结构较为复杂，可以进行多个模型的建立，不过其复杂性需要体现出具体的差异。比如研究杆单元时，关于其使用范围需要明确，同时通过模拟操作来验证效果，如果是三维杆单元，由于杆轴方向上有挤压单元集中，节点都会沿各轴方向进行移动。
        1.3对重力加速度进行定义
        由于模型的建立被简化，有限元动力模型中的重量与结构整体的实际重量相比较小，因而最后的动态性参数精确度受到了影响。因此，对于结构需要进行相应的补偿。此外，质量单元和材料密度设计时，对于重力加速度的精确性要进一步强化，优化塔机模型时，对静态和瞬态等非线性动力学分析要同时进行，通过增加材料密度，使结构的重量得到补偿。
        2.塔机结构系统动态优化设计
        2.1结构动刚性和衡量指标
        动刚性指的是塔机结构的整体抗震性能，在专业学角度来讲，动刚性是指产生的单位振幅所需要的动态力。

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通常对塔机的动刚性有一定的要求主要是应对由于冲击力导致的振幅衰减问题。从阻尼方面考虑，影响因素有很多，而且由于机理性比较复杂，其全面性研究上还存在一定的困难。假设结构质量和阻尼都是常数，而相对应的结构固有频率和动刚性之间的关系成正比，而与衰减的时间成反比。由于塔机工作的性质，各结构部件的启动和制动都比较频繁，金属结构在长时间连续工作后就会产生衰减情况，这样性能就会下降。具有多自由度的系统固有频率也很多，其刚性和结构质量等参数也会影响结构系统。
        2.2谐响应分析
        结构系统如果存在连续性的周期荷载就会发生周期响应问题。进行谐响应分析时，要想确保科学性，需要从线性结构随时间变化规律方面着手。进行这一过程的分析能够得出实际响应值，然后得出对应的频率曲线，这样可以清晰的看出其峰值，然后得出准确的应力值。不过，对于结构的稳定性能够计算得出，但是瞬时振动不能够得到合理的反映，通过进行谐响应分析，能够使动力特性得到连续预测，这样可以更好的设计结构的疲劳、共振等特性。谐响应分析的方法主要是Full法，而这种方法的优点首先是便于使用，过程中可以省略掉对振型或者是自由度的选择，另外是矩阵完整，不需要进行质量近似矩阵的研究，再者是可以允许有非对称矩阵，这样可以防止存在轴承问题，最后是处理过程比较单一，可以较好的计算出实际的应力和位移，对于后续设计工作有很好的帮助。
        2.3灵敏度分析
        在结构动力学中，灵敏度分析是非常重要的部分，主要是通过目标函数梯度计算进行，因此，对灵敏度分析的优化也是梯度性优化，可以通过变量的偏导数优化设计进行反映。同时，为了使结构设计优化更加合理，关于灵敏度关系的修改需要重视。如果是离散型结构模型，那么需要确保初等方式和数学规划法都有应用。结构模型如果设计变量较多，通过灵敏度分析来使计算更快。可以通过应用图对设计变量进行展示，这样响应变量数值也会得以突显。横坐标会反映设计变量的变化值，在进行具体的分析时，关于塔机结构系统的性能首先需要有全面的掌握，这样在进行灵敏度分析时才会更加顺利。
        2.4塔机结构系统的动态计算
        塔机的结构振动和激励形式有较大的关联，振动激励有两种形式，初激励和强迫激励。塔机在工作运行的过程中，起升和运行都会给主体结构带来振动，并且结构振动最厉害的是荷载离地时和起升时，这些是属于冲击激励，塔机响应规则比较复杂，通常振动方向比较集中的是在垂直方向上，在进行物体起吊时，具体的受力计算还需要结合实际情况确定。
        结束语
        综上所述，关于塔式起重机在工作过程中的频繁启动和制动，因而不可避免的会出现结构性能下降，对其结构的动态性研究非常重要。塔机结构系统需要进行动态优化设计，如今很多的研究在理论方面较为突出，方法的优势也不相同，在设计优化时，还需要结合具体的情况进行分析，从而保证效果的更好实现。
        参考文献
        [1]汪许林.塔式起重机结构系统动态优化设计的分析[J].现代制造技术与装备,2019,No.277(12):88-89.
        [2]齐善朋.平头塔式起重机结构动态优化设计[J].建筑工程技术与设计,2016,000(012):628-628.
        [3]倪孝庆.塔式起重机结构刚性及动态优化研究[J].中国机械,2015,000(006):170-171.