基于ANSYS的塔式起重机臂架有限元参数化建模与分析

ANSYS分析塔式起重机吊臂步骤塔式起重机吊臂是一种常见的起重机构。

它通常用于吊装重物，并且能够通过伸缩吊臂的长度来适应不同的工作条件。

利用ANSYS软件进行塔式起重机吊臂的分析可以帮助工程师了解吊臂结构的强度和刚度，并优化设计以满足设计要求。

下面是使用ANSYS软件进行塔式起重机吊臂分析的一般步骤：1.几何建模：首先，需要使用CAD软件或者ANSYS自带的几何建模工具创建塔式起重机吊臂的几何模型。

这个几何模型应该包括所有的主要结构组件，例如吊臂、支撑杆、立柱等。

2.材料定义和加载：在进行分析之前，需要对所使用的材料进行定义。

材料定义应包括材料的弹性模量、泊松比和密度等。

另外，还需要定义适当的加载条件，例如自重载荷、外部工况荷载等。

3.网格划分：对几何模型进行网格划分是进行分析的关键步骤。

足够准确的网格划分可以提供更精确的分析结果。

在划分网格之前，需要根据倾斜角度和吊臂的形状来确定合适的划分方式。

4.约束和边界条件：对于塔式起重机吊臂的分析，通常需要施加一些边界条件和约束。

例如，可以将塔座固定在地面上，使其不能发生任何位移。

此外，还可以施加其他约束条件来模拟实际工作条件。

5.应力分析：完成了网格划分和约束设置后，可以进行应力分析。

应力分析可以帮助工程师了解吊臂在不同工况下的应力分布情况。

可以通过绘制应力云图和边界应力图来可视化这些结果。

6.判断强度：针对应力分析的结果，可以对吊臂的强度进行评估。

可以检查吊臂是否满足强度设计要求，例如是否超过了材料的屈服强度或破坏强度。

7.刚度分析：除了强度外，刚度也是塔式起重机吊臂设计中的重要考虑因素。

可以通过刚度分析来评估吊臂在工作状态下的形变情况。

如果形变过大，可能会影响到起重机的操作性能。

8.优化设计：根据应力和刚度分析的结果，可以对塔式起重机吊臂的设计进行优化。

例如，可以增加材料厚度、增加支撑杆数量或改变结构形式等。

优化设计可以提高吊臂的强度和刚度，在满足设计要求的前提下减少结构重量。

第二章ANSYS分析塔式起重机吊臂步骤2.1 分析问题遇到要分析的问题时，通常要考虑该问题所在的学科领域、分析该问题所要达到的目标等分析方案。

需要考虑以下几点：1、分析领域塔式起重机吊臂的力学分析属于结构分析领域。

2、分析目标利用ANSYS，根据起重特性曲线，计算变幅小车在不同位置时吊臂的受力情况，及拉杆的力。

3、分析类型结构线性静力分析。

4、分析细节的考虑（1）ANSYS中没有定义单位，在应用时，可以采用国际单位制。

（2）在建立模型过程中，要考虑两个下弦杆的相对位置。

根据起重特性曲线，起重量沿臂端方向逐渐减小，因此由两个等边角钢焊接成的方管的横截面积也减小，同时要考虑到变幅小车在下弦杆上行走，故下弦的外廓面和上平面应在同一平面内。

建模时应用点和线，保证模型的连贯性，所以将整个吊臂变截面的下弦杆轴线放在同一水平线上，通过定义单元梁质心的相对位置来保证外廓面和上平面在同一平面内。

（3）变幅小车及吊重可以通过集中力的形式加载到下弦杆上。

（4）风载荷加到关键点上。

（5）吊臂自重通过惯性力施加。

由于吊臂上安装有其他设施，故总重比计算值偏大，这时需要增大密度，来模拟自重。

（6）划分网格时须注意，拉杆采用的LINK8单元只能承受拉力，所以分网时，一个单元只能分一段。

吊臂采用BEAM188单元，分网时可以划分2~3段。

（7）在臂节连接处，实际是使用销轴连接，在模型中进行耦合来模拟销轴连接。

2.2建立K25/20塔式起重机吊臂模型吊臂的模型结构比较简单，只要在笛卡儿坐标系中输入各个节点的位置，然后将每个点连成直线即可。

在建模前要对吊臂的形状有一个全面的了解，然后列出每个节点的坐标。

下面是K25/20塔式起重机吊臂节点位置。

1、节点编号及坐标位置（mm）：在定义的关键点中，吊臂每节后三个点和下一节前三个点的坐标相同，用来进行耦合处理。

点击Main menu >Preprocessor>Modeling>Create>Keypoint>In active CS进入Create keypoints in active coordinate system对话框。

内容摘要城市化建设的飞速发展，城市的高层建筑群越来越多，对适合于此类建筑物施工的高空作业车设备需求量与日俱增。

作业臂是高空作业平台的重要承载部件之一，也是整机结构强度相对薄弱的部分，其力学性能对机械的正常运转有直接影响，为了保证工作人员高空作业时的人身安全，其作业臂有着严格的设计要求。

针对此问题，在对其结构进行详细分析的基础上，可以利用ANSYS软件与CAD软件的数据交换功能，将AutoCAD软件中建立的作业臂的三维几何模型导入ANSYS中, 选择solid92实体单元，利用ANSYS强大的网格划分功能，分析作业臂的结构和受载特点，建立有限元模型进行作业臂结构的强度和刚度分析，确定危险截面或危险点得应力分布及变形，找出结构设计中的不合理因素，对作业臂模型的截面尺寸形式进行了合理的优化设计，以达到节约材料，节省成本，并保证作业臂的安全系数。

关键词: 高空作业车作业臂有限元分析截面ANSYSAbstractWith the rapid development of urbanization, The urban architecture is to be more and more, which demand more and more the appropriate equipment for the construction of such buildings. Telescopic boom is one of an important bearing component in Aerial Work Platform, and also is relatively weak machine parts, whose mechanical properties has a direct impact on the normal operation of the machine. It is necessary and important to research the mechanical properties of the working arm in the design field of aerial working platform for ensuring the person safety in aerial working.In this situation, based on the detailed analysis of working arm structure, and then the 3D geometry model has been made in the platform of AutoCAD, the model was imported into the ANSYS. Making use of the solid element solid92 and powerful gridding partition ability of ANSYS and then using the function to analyze the structure of the working arm and the load characteristics of the operating arm. To establish the finite element model of the structure is to analyze strength and stiffness, which will determine the dangerous section or dangerous point and deformation to identify the unreasonable factors of the structural design. The overall performance will be improved. The plate thickness is optimized to reduce the material and the cost and to ensure the safety factor of the operating arm.Key words: Aerial working platform Working arm Finite analysis Section Ansys第1章绪论1．1课题的研究背景与意义工程机械广泛应用于经济建设的各部门，在整个经济发展中占有十分重要的地位。

基于ansys的塔式起重机力学分析作者：李康敏徐雅澜耿冠秋陈珂来源：《大东方》2017年第02期摘要：本文对塔式起重机进行研究，根据各结构特点，建立塔式起重机仿真模型。

然后考虑风荷载作用，将风载量化到各个部件的单元节点上，施加起重载荷和位移约束求解。

分析结果，该塔式起重机性能优良，安全稳定。

这对大型塔式起重机结构的稳定性和安全性设计将有重要意义。

关键词：塔式起重机；有限元；风载荷引言近年来，随着建筑行业快速发展，塔式起重机得到广泛的推广。

塔式起重机的推广使用，较大提高了工作效率，为施工创造了安全的工作环境。

然而，工作效率提高的同时，塔式起重机也带来了一定的机械危险。

为此，国内已开始重视在使用新型材料、新型工艺和新型技术的同时，研究安全稳定技术，减少不安全因素，提高产品竞争力。

目前，塔机不断向大型化发展，且主要以工作经验设计为主，虽满足基本工作要求，但自重大和稳定性差。

本文通过对塔式起重机建模分析，得出其稳定性及安全性的结论。

一、塔式起重机结构特点起重机的底架被固于专用的混凝土基础上，其上部与标准节连结，标准节最上端与回转中心的下转台连接，下转台与回转支承外圈连接。

回转支承内圈上的转动部分，包括回转上转台、平衡臂、起重臂、塔帽、变幅小车与吊钩、起升机构、平衡重、回转机构以及操纵室等，这些部件均通过回转机构可以在水平面内作500度的全回转。

起重臂根部与上转台用铰链连接，且两根起重臂拉杆与塔帽连接。

平衡臂根部与上转台用销轴连接，也用两根拉杆与塔帽相连。

塔式起重机是一种常见的施工起重结构，按结构类型可分为动臂式和静臂式。

由于塔式起重机塔身较高，受到风载荷作用较大，因此对其安全性和可靠性的分析和评价是确保其在服役年限内正常使用的重要环节。

二、起重机仿真建模塔式起重机金属结构部分主要有底架、标准节、下转台、回转支承、上转台、塔帽、平衡臂、司机室、起重臂、变幅小车、拉杆等。

（1）塔身由标准节组成。

标准节呈长方形空间桁架结构，是由角钢组焊而成，四周为主角钢，其余角钢为副角钢。

基于Ansys Workbench的平头塔式起重机臂架结构优化分析黄江涛 高崇仁 王国涛 田星宇 周芳宇太原科技大学 太原 030024摘要：由于臂架是平头塔式起重机质量占比较大的结构，对整机的性能影响至关重要，故对臂架结构进行优化设计可大大提高整机的工作性能。

为此，文中采用许用应力法完成对平头塔式起重机臂架结构的初步设计计算，并对整机工作环境进行分析，了解起重臂架的工况，并使用Ansys Workbench软件对臂架进行静力学分析，以通过求解得到的应力云图和形变云图验证臂架结构设计计算的强度和刚度。

另外，对起重臂架进行模态分析，获取结构自身前六阶的固有频率和振型，为结的故障诊断和预警提供了可靠的理论依据。

在保证结构强度和刚度的前提下，通过对起重臂架各弦杆截面进行优化，从而降低臂架自重，提升材料的利用率，为起重臂架的轻量化设计提供参考思路。

关键词：平头塔式起重机；臂架结构；有限元；优化分析；模型中图分类号：TH.213.3 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2023）16-0037-06Abstract: Boom occupies a large proportion in the mass of flat-top tower crane, which has a great influence on the performance of the whole machine. Therefore, the optimization design of boom structure can greatly improve the performance of the whole machine. Therefore, the authors completed the preliminary design and calculation of the boom structure of the flat-top tower crane by using the allowable stress method, and analyzed the working environment in order to understand the working conditions of the boom. The static analysis of the boom was carried out by Ansys Workbench software, and the strength and stiffness in the design and calculation of the boom structure were verified by the stress nephogram and deformation nephogram obtained by solving. In addition, the modal analysis of the boom was carried out in order to obtain the first six natural frequencies and vibration modes, which provides a reliable theoretical basis for fault diagnosis and early warning. Under the condition of ensuring the structural strength and stiffness, the cross section of each chord of the boom is optimized, so as to reduce the self-weight of the boom and improve the utilization rate of materials, which provides a reference for the lightweight design of the boom.Keywords:flat-top tower crane；boom structure；finite element method；optimization analysis；model0 引言近年来，随着国家绿色发展政策的推进和回收体系的完善，作为占比20%的再生资源废纸的回收量持续增长，使纸品公司对存储环境的空间利用率提出了更高要求。

基于 ANSYS Workbench 的塔机吊臂有限元分析
靳龙;李玉奇
【期刊名称】《桂林理工大学学报》
【年(卷),期】2015(000)002
【摘要】基于 ANSYS Workbench 模块对某塔式起重机吊臂建立有限元模型，通过静态和线性屈曲分析塔机吊臂在近端重载和远端轻载的极限荷载不同工况下的应力变形以及稳定性的状况。

结果表明：吊臂起重臂节上下主弦杆之间的腹杆强度有所冗余，可适当调节腹杆的壁厚以使材料得到更充分的利用，受压主弦杆可选用更大直径的管子或用焊接工字钢代替，吊臂刚度和稳定性良好，可为塔机设计和工程施工以及进一步结构优化提供理论依据。

【总页数】5页(P408-412)
【作者】靳龙;李玉奇
【作者单位】广西科技大学机械工程学院，广西柳州 545006;广西科技大学机械工程学院，广西柳州 545006
【正文语种】中文
【中图分类】TH213.5
【相关文献】
1.基于Ansys Workbench的起重机吊臂结构全伸臂工况的有限元分析 [J], 李春风;董庆华;李少杰;郝清龙;王宇飞;曹硕
2.基于ANSYS Workbench的折臂式随车起重机吊臂有限元分析 [J], 邵明;胡青
春;谢文牧
3.基于ANSYS Workbench的汽车起重机吊臂截面优化设计 [J], 岳俊泽;周利东;崔庆佳
4.基于ANSYS Workbench的QY80型汽车起重机吊臂有限元分析 [J], 程远禄;王剑彬;张成亮
5.基于ANSYS Workbench的复合式发酵塔装置重要零部件有限元分析 [J], 石义栋;冯天玉;陆伟安;傅智;冯永孝
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第６期尹强，等：基于ＡＮＳＹＳ的塔式起重机结构模态分析９９并进行了模态扩展，结果如下见表２。

表２Ｑｚ＇１２５塔机动态计算结果与文献结果比较通过表２可以清晰的看到本文建立的计算模型，与文献［２］结果十分接近，最大误差为２．４４８％，最小误差为２．３３２％，普遍误差在２％～３％之间，完全达到了工程计算误差许可范围，也直接证明了本方法具有很高的可行性。

本例计算的ＱＴＺ２５塔机前面几阶振型及振型曲线（限于篇幅，只列出前面６阶振型），见图２～图８。

图１塔机的有限元模型图３二阶振型图５四阶振型图２一阶振型图４三阶振型图６五阶振型３结论图７六阶振型图８各阶振型曲线由振动理论可知，对于塔机这样一个多自由度系统而言，低阶固有频率对系统的动力响应贡献较大，而高阶固有频率影响较小，所以对塔机系统而言只要提取其低阶固有频率就能很好反映系统动力特性。

通过对前几阶振型分析可以得到以下几点的结论：１）塔机结构的一阶振型是塔机绕塔身在水平面内扭转振动，振动频率为０．２２９１９Ｈｚ，说明了塔机在绕塔身的刚度偏小，在设计时应该考虑予于加强。

２）塔机结构的二阶振型是塔机绕塔身根部固定端在前后弯曲振动引起吊臂的点头运动。

振动频率为０．５７８１３Ｈｚ。

３）塔机结构的三阶振型是塔机绕固定点左右摆动，其振动频率为０．６３２２６Ｈｚ。

４）塔机结构的四阶振型是吊臂和平衡臂绕塔身前后弯曲振动，振动频率为１．６０５８Ｈｚ。

５）塔机结构的五阶振型是吊臂和平衡臂在水平面内弯曲振动，振动频率为１．９０７７Ｈｚ。

以上结果与实际观察的振动情况相符合，进一步说明本文介绍的方法具有可行性，避免了常规分析塔机动态响应时做的种种假设，结果更具有可靠性。

塔机生产企业技术人员可以在塔机新产品设计中用有限元分析结果指导样机试制，样机做好后进行模态试验分析，用模态分析所得的模态参数，对有限元模型再进行修改，使其更符合实际，从而提高有限元分析的精度，根据修改后的分析结果提出塔机结构动力修改方案，用于指导新产品的批量生产。

平头式塔式起重机起重臂的有限元分析一、实验目的：综合训练和培养学生利用有限元技术进行机械系统分析和设计的能力，独立解决本专业方向实际问题的能力；训练学生对机械结构问题分析规划的能力，能正确利用有限元分析软件ANSYS建立结构的有限元模型，合理定义单元、分析系统约束环境，正确加载求解，能够提取系统分析结果。

通过实验分析使学生了解和掌握有限元技术辅助机械系统设计和分析的特点，推动学生进行创新设计，进一步提高动手操作能力，为将来所从事的机械设计打下坚实的基础。

二、实验任务：本专题实验借用上一学期现代机械工程基础实验1-金属结构部分的参数和设计成果，采用有限元方法进行设计分析，用ANSYS软件对塔机的起重臂、平衡臂和塔身结构进行模型构建和强度、刚度分析，并与手工计算结果进行对比讨论。

掌握有限元法进行工程实例计算的基本方法和步骤。

三、实验内容和步骤：（一）问题分析：塔机工作时产生的冲击和振动易造成钢结构的破坏，起重臂作为塔机的主要受力部件，其结构强度和刚度关系着工作的可靠性和安全性。

利用有限元分析软件ANSYS 分析起重机臂架在典型工况下的应力分布规律及模态特性，可在虚拟阶段对其进行强度及稳定性校核，降低了生产成本，缩短了开发周期，提高了产品质量，本次实验周对平头塔机起重臂进行分析。

塔机起重臂主要载荷包括：起重臂自重、风载荷、吊重、吊重风载、惯性力或其他水平力。

臂架自重：参考同类型产品结构按比例初步估计为4T小车及吊钩：重量初步估计为0.625T风载荷：按照塔式起重机设计规范F w=C w P w AC w为风力系数，臂架为三角形结构，查表得C w=1.3P w为计算风压，工作状态取Pw=250MPA为迎风面积A=A1+ηA2A1—前片结构迎风面积A2--后片结构迎风面积A1=w1×A l1w1为结构充实率对于桁架取0.4A2=w2×A l2w2为结构充实率对于桁架取0.4 根据前后片外形轮廓尺寸计算出前后片迎风面积η—前片对后片的挡风折减系数，根据前片充实率及桁架隔比查表定位0.28计算可得：A=30.72㎡F w=9984N其他水平力：回转惯性力T=0.1×Q（Q为吊重）T=0.1×34.54KN=3.454KN起重臂根据上学期金属结构课程设计得，截面呈三角形结构上主肢采用∅121×32（外径121mm壁厚32m），下主肢采用两根18b扣方。

基于ANSYS的塔式起重机结构分析符国炎【摘要】以QTZ6012塔式起重机为例探索建立一种基于ANSYS的建模分析(塔式起重机结构分析的简化、单元选择、建立模型、载荷情况、设计工况计算、结果与分析)的研究方法,以达到从设计阶段找出塔机工作状态的危险部位及应力水平的目的,从而为塔式起重机的设计计算、检验检测和安全评估提供可靠数据和方法.【期刊名称】《建筑机械（上半月）》【年(卷),期】2017(000)005【总页数】3页(P135-137)【关键词】塔式起重机;结构分析【作者】符国炎【作者单位】广东省建筑科学研究院集团股份有限公司,广东广州510500【正文语种】中文【中图分类】TH2121.1 模型简化由于回转支承结构等实体部件相对塔式起重机整体结构而言几何尺寸较小，而刚度较大、质量较为集中，当对塔机结构进行整体分析时，可以将回转支承结构等实体部件采用梁杆单元进行等效，使塔机的整体分析中只包含梁单元，避免了具有不同结点自由度的梁单元和板壳单元的联接问题。

另外，一般塔机都具有几百甚至几千根杆件，其输入数据文件已经很大，如果再同时分析回转机构的板壳结构，更将大大增大数据文件，甚至超出了计算机的工作能力。

在作完整体分析之后，再将整体分析中得到的等效单元的结点力作为外载荷，采用板壳单元单独分析回转机构。

根据设计规范的规定，塔机必须工作在材料弹性范围内，且对一般的中小型塔机的分析不必考虑非线性因素，因此QTZ6012塔机只讨论线性分析。

（1）塔身、起重臂主弦杆和腹杆的每个连接点根据实际尺寸建立节点，每节塔身、起重臂的连接点也建立节点。

（2）塔机模型应与实际形状保持几何上的相同，对研究问题影响不大的局部结构适当简化。

（3）模型的边界约束条件应与塔机实际工作时保持一致。

塔身底部结构刚度很大，又与地基用地脚螺栓相连，则认为在底部能承受弯矩，假定它是固接支座，约束线位移UX=0、Uy=0、Uz=0；角位移R0TX=0、R0Ty=0、R0Tz=0；平衡臂、起重臂、塔帽与塔身连接节点约束线位移UX=0、Uy=0、Uz=0；角位移R0Ty=0、R0Tz=0；平衡臂拉索、起重臂拉索与平衡臂、起重臂、塔帽连接节点约束线位移UX=0、Uy=0、Uz=0；角位移R0Ty=0、R0Tz=0。