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【摘要】：塔式起重机是广泛应用于建筑施工和工业起重的机械，浅析了塔式起重机的研究现状，利用有限元分析软件ANSYS，为了便于进行结构的建立和修改，采用APDL的方式，针对某塔式起重机建立了有限元模型，并对建模的方法、技巧及注意的问题进行了讨论。利用ANSYS建立塔机有限元程序，将程序相关几何尺寸参数化后可用做塔机的初步设计和产品系列化设计以及检测前的模拟实验，是下一步静态和动态性能分析的基础。
【关键词】：塔式起重机；有限单元法；ANSYS
一、引言
塔机，即“塔式起重机”简称，又称“塔吊”，是广泛应用于建筑施工中的一种关键起重设备，是施工企业装备水平的标志性装备之一，在工作中经常起动、制动，主要用于建筑施工中建筑材料的垂直和水平运输以及预制结构的安装，作业空间大。
传统的对塔式起重机的设计分析，一般是按照材料力学的方法，利用许用应力，对参照国外塔机而设计的产品，按照《塔式起重机设计规范》的设计标准对所设计的塔式起重机进行结构强度、稳定性等校核。这样设计的塔式起重机，它的设计计算过程复杂、周期长。由于类比法对传统经验的要求较高，误差较大，这样就导致设计出来的塔式起重机的各个部件的重量都比较偏大，限制了塔式起重机的效率，塔式起重机的各个杆件的应力分布和构造尺寸也偏大，造成了材料的极大浪费。同时这种采用传统设计方法来改进初始设计方案则需要多次修改塔机结构设计参数，进行重复计算，工作量将非常巨大。
随着计算机的发展，在现今针对塔式起重机的研究中，有限元法是被广泛采用的一种方法。利用有限元法对塔机进行的研究日趋成熟。已有的研究有陈晓峰[1]的基于Ansys及APDL的塔式起重机有限元分析系统，以及王仿[2]等对塔式起重机整体结构进行的有限元分析等，这些分析计算的前提是建立准确的有限元模型。
二、ANSYS参数化语言APDL
ANSYS软件提供了两种工作模式：人机交互方式（GUI方式）和命令流输入方式（Batch） 。APDL是一种用来完成有限元常规分析操作，或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。它用智能化分析的手段，为用户提供了自动化完成有限元分析过程的功能，及程序的输入可根据指定的函数、变量及选用的分析类型来确定，是完成优化设计和自适应网格的最主要基础，也为日常分析提供了便利[3]。
在用GUI方式建立模型分析后再修改重分析时，必须改变模型的几何结构或载荷等并重复上述步骤。当模型较复杂或修改较多时，这个过程繁琐复杂 ，而且往往会生成大且多的数据文件。而利用APDL，则可以直接修改文本文档来完成多次任意分析，减少了有限元分析的工作量，缩短了计算周期，提高了设计效率[4]。
三、塔式起重机的有限元模型
（一）模型的建立
建立正确而可靠的塔式起重机结构模型是一项非常重要而且繁杂的工作，它不仅关系到计算结果的正确与否，而且直接影响着以后的各项工作，实际塔式起重机的结构非常复杂，除了大量的梁杆结构之外，还有板壳结构、杆结构等，支承边界条件形式多种多样，载荷种类和组合也较多，因此分析一台实际塔式起重机必须对其进行一定的简化。
1、回转机构的简化
由于回转支承机构等实体部件相对塔机整体而言几何尺寸较小、刚度大、质量集中，对塔机结构整体分析时，可以将回转支承结构等实体部件采用梁单元进行等效，使塔机的整体分析中只包含梁单元，减少塔机整体分析中的单元种类，避免了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的连接问题，方便进行处理[5]。
2、塔机附件简化
塔机附件（如电机等）由于相对塔机整体结构而言几何尺寸小、质量集中，对整体结构进行分析时，将附件等实体部件采用等效处理。
3、对于塔顶、塔臂、塔身和平衡臂的连接处结构比较复杂，因此在整体结构分析中，这几部分的连接接将节点直接布置在一起[6]。
（二）单元类型的选择
1、梁单元
ANSYS提供了多種梁单元，塔机是一种空间结构， 塔机所有弦杆采用三维梁单元模拟。ANSYS软件提供的常用弹性三维梁单元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189，它们都有各自的特点，能满足不同的分析要求。塔机结构中有许多较短的杆件，如塔身接头、吊臂接头等都属于深梁，用普通梁单元建模会带来较大的误差，所以塔机分析应使用BEAM188单元（线性梁单元）和BEAM189单元（二次梁单元），通常采用BEAM188单元即可。BEAM188考虑了剪切变形的影响，还支持截面定义功能，因此，塔机分析中使用BEAM188单元即可满足塔机分析所要求的功能，并得到满意的结果[5]。
2）杆单元
LINK8单元是有着广泛的工程应用的杆单元，比如可以用来模拟：析架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩，对于平衡臂与起重臂处的钢索采用此单元。
3）MASS21
MASS21是ANSYS提供的三维质量点单元，具有六个自由度，即X，Y和Z方向的移动和绕X，Y和Z轴的转动。每个方向可以具有不同的质量和转动惯量。质量单元在静态解中无任何效应，在计算中加入重力加速度才具有惯性载荷。平衡重、回转架台等附加集中质量可以用质量单元模拟。
（三）有限元模型的建立
在ANSYS中有两种方法来建立有限元几何模型，即直接生成法和实体建模法。模型采用直接生成法，即先建立节点，再连接节点生成单元。在建模时采用APDL和GUI方式相结合的方法，用命令流编程，可以便于修改模型，从而节省时间。
将塔身、起重臂、平衡臂，过度节的每个结构件连接点作为一个节点。塔身一般有许多个标准节组成，每个标准节具有相同的拓扑结构、几何尺寸和截面类型，所以塔身的标准节只需要定义一次，以后的各节塔身可以通过平移节点编号后得到。标准节之间通过通过短梁单元连接。
四、总结
利用有限元软件ANSYS和APDL，建立了塔式起重机整体结构有限元模型，今后可以在此模型的基础上对塔机进一步进行静态性能的分析和动态分析，包括模态分析和谐响应分析两方面的动态性能分析等，以保证塔机的安全性能。
参考文献：
[1] 陈晓峰. 基于Ansys及APDL的塔式起重机有限元分析系统[D]. 东北大学， 2005.
[2] 王仿， 高顶.塔式起重机整体结构的有限元分析[J]. 煤矿机械， 2009， 30 （2）： 96-97.
[3] 龚曙光， 谢桂兰， 黄云清. ANSYS参数化编程与命令手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2009.
[4] 陆旭， 周见行， 姜伟. 基于APDL的塔式起重机有限元参数化建模与分析[J]. 机电工程， 2009， 26 （7）： 34-36.
[5] 王胜春， 宋世军， 靳同红， 王积永. 塔式起重机的振动模态分析[J]. 机械科学与技术， 2010， 29 （7）： 912-914.
[6] 刑静忠， 王永刚， 陈晓霞. ANSYS 7.0 分析实例与工程应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2004.
【关键词】：塔式起重机；有限单元法；ANSYS
一、引言
塔机，即“塔式起重机”简称，又称“塔吊”，是广泛应用于建筑施工中的一种关键起重设备，是施工企业装备水平的标志性装备之一，在工作中经常起动、制动，主要用于建筑施工中建筑材料的垂直和水平运输以及预制结构的安装，作业空间大。
传统的对塔式起重机的设计分析，一般是按照材料力学的方法，利用许用应力，对参照国外塔机而设计的产品，按照《塔式起重机设计规范》的设计标准对所设计的塔式起重机进行结构强度、稳定性等校核。这样设计的塔式起重机，它的设计计算过程复杂、周期长。由于类比法对传统经验的要求较高，误差较大，这样就导致设计出来的塔式起重机的各个部件的重量都比较偏大，限制了塔式起重机的效率，塔式起重机的各个杆件的应力分布和构造尺寸也偏大，造成了材料的极大浪费。同时这种采用传统设计方法来改进初始设计方案则需要多次修改塔机结构设计参数，进行重复计算，工作量将非常巨大。
随着计算机的发展，在现今针对塔式起重机的研究中，有限元法是被广泛采用的一种方法。利用有限元法对塔机进行的研究日趋成熟。已有的研究有陈晓峰[1]的基于Ansys及APDL的塔式起重机有限元分析系统，以及王仿[2]等对塔式起重机整体结构进行的有限元分析等，这些分析计算的前提是建立准确的有限元模型。
二、ANSYS参数化语言APDL
ANSYS软件提供了两种工作模式：人机交互方式（GUI方式）和命令流输入方式（Batch） 。APDL是一种用来完成有限元常规分析操作，或通过参数化变量方式建立分析模型的脚本语言。它用智能化分析的手段，为用户提供了自动化完成有限元分析过程的功能，及程序的输入可根据指定的函数、变量及选用的分析类型来确定，是完成优化设计和自适应网格的最主要基础，也为日常分析提供了便利[3]。
在用GUI方式建立模型分析后再修改重分析时，必须改变模型的几何结构或载荷等并重复上述步骤。当模型较复杂或修改较多时，这个过程繁琐复杂 ，而且往往会生成大且多的数据文件。而利用APDL，则可以直接修改文本文档来完成多次任意分析，减少了有限元分析的工作量，缩短了计算周期，提高了设计效率[4]。
三、塔式起重机的有限元模型
（一）模型的建立
建立正确而可靠的塔式起重机结构模型是一项非常重要而且繁杂的工作，它不仅关系到计算结果的正确与否，而且直接影响着以后的各项工作，实际塔式起重机的结构非常复杂，除了大量的梁杆结构之外，还有板壳结构、杆结构等，支承边界条件形式多种多样，载荷种类和组合也较多，因此分析一台实际塔式起重机必须对其进行一定的简化。
1、回转机构的简化
由于回转支承机构等实体部件相对塔机整体而言几何尺寸较小、刚度大、质量集中，对塔机结构整体分析时，可以将回转支承结构等实体部件采用梁单元进行等效，使塔机的整体分析中只包含梁单元，减少塔机整体分析中的单元种类，避免了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的连接问题，方便进行处理[5]。
2、塔机附件简化
塔机附件（如电机等）由于相对塔机整体结构而言几何尺寸小、质量集中，对整体结构进行分析时，将附件等实体部件采用等效处理。
3、对于塔顶、塔臂、塔身和平衡臂的连接处结构比较复杂，因此在整体结构分析中，这几部分的连接接将节点直接布置在一起[6]。
（二）单元类型的选择
1、梁单元
ANSYS提供了多種梁单元，塔机是一种空间结构， 塔机所有弦杆采用三维梁单元模拟。ANSYS软件提供的常用弹性三维梁单元有BEAM4、BEAM44、BEAM188和BEAM189，它们都有各自的特点，能满足不同的分析要求。塔机结构中有许多较短的杆件，如塔身接头、吊臂接头等都属于深梁，用普通梁单元建模会带来较大的误差，所以塔机分析应使用BEAM188单元（线性梁单元）和BEAM189单元（二次梁单元），通常采用BEAM188单元即可。BEAM188考虑了剪切变形的影响，还支持截面定义功能，因此，塔机分析中使用BEAM188单元即可满足塔机分析所要求的功能，并得到满意的结果[5]。
2）杆单元
LINK8单元是有着广泛的工程应用的杆单元，比如可以用来模拟：析架、缆索、连杆、弹簧等等。这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元，每个节点具有三个自由度：沿节点坐标系X、Y、Z方向的平动。就像在铰接结构中的表现一样，本单元不承受弯矩，对于平衡臂与起重臂处的钢索采用此单元。
3）MASS21
MASS21是ANSYS提供的三维质量点单元，具有六个自由度，即X，Y和Z方向的移动和绕X，Y和Z轴的转动。每个方向可以具有不同的质量和转动惯量。质量单元在静态解中无任何效应，在计算中加入重力加速度才具有惯性载荷。平衡重、回转架台等附加集中质量可以用质量单元模拟。
（三）有限元模型的建立
在ANSYS中有两种方法来建立有限元几何模型，即直接生成法和实体建模法。模型采用直接生成法，即先建立节点，再连接节点生成单元。在建模时采用APDL和GUI方式相结合的方法，用命令流编程，可以便于修改模型，从而节省时间。
将塔身、起重臂、平衡臂，过度节的每个结构件连接点作为一个节点。塔身一般有许多个标准节组成，每个标准节具有相同的拓扑结构、几何尺寸和截面类型，所以塔身的标准节只需要定义一次，以后的各节塔身可以通过平移节点编号后得到。标准节之间通过通过短梁单元连接。
四、总结
利用有限元软件ANSYS和APDL，建立了塔式起重机整体结构有限元模型，今后可以在此模型的基础上对塔机进一步进行静态性能的分析和动态分析，包括模态分析和谐响应分析两方面的动态性能分析等，以保证塔机的安全性能。
参考文献：
[1] 陈晓峰. 基于Ansys及APDL的塔式起重机有限元分析系统[D]. 东北大学， 2005.
[2] 王仿， 高顶.塔式起重机整体结构的有限元分析[J]. 煤矿机械， 2009， 30 （2）： 96-97.
[3] 龚曙光， 谢桂兰， 黄云清. ANSYS参数化编程与命令手册[M]. 北京： 机械工业出版社， 2009.
[4] 陆旭， 周见行， 姜伟. 基于APDL的塔式起重机有限元参数化建模与分析[J]. 机电工程， 2009， 26 （7）： 34-36.
[5] 王胜春， 宋世军， 靳同红， 王积永. 塔式起重机的振动模态分析[J]. 机械科学与技术， 2010， 29 （7）： 912-914.
[6] 刑静忠， 王永刚， 陈晓霞. ANSYS 7.0 分析实例与工程应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 2004.