基于流固耦合的雙面動臂塔吊強度分析*

劉振揚，馬思群，于曉依，明志遠

(大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

在工程建筑類起重機中，常會涉及起重機本體受到風載的作用。在常規強度計算中，風載往往等效為靜載荷施加到結構上，這樣計算可能會產生較大的誤差，為計算帶來盲目性，難以對產品進行真實的考評。國內外針對這類問題的研究主要集中在單臂塔受風載的仿真計算上，對于解決雙臂型塔吊實際工程應用問題的研究較少。因此，研究雙面動臂塔吊流固耦合關系對于同類起重機的合理運用具有一定的工程意義和實用價值。

現有的流固耦合計算平臺可減小以往經驗公式計算所帶來的誤差，能更真實地反映出塔吊受載情況。本文基于對起重機設計周期和安全性的考慮，對雙面動臂塔吊受自然風載的流固耦合進行仿真計算，并對其進行強度分析，以驗證其在六級風下的安全性。

1 雙面動臂塔吊三維模型及工況說明

1.1 結構三維建模

該雙面動臂塔吊由抱桿主體、桅桿、搖臂和轉臺等組成，使用材料為Q390。抱桿主桿高40 m，抱桿主桿截面為(900×900) mm2；抱桿搖臂長17 m，搖臂主截面為(600×800) mm2；抱桿的桅桿高7 m。抱桿的最大起吊重量為(2×4) t(雙側同步起吊)。

使用SolidWorks軟件對塔吊完成了整機的三維建模。為避免數值模擬時網格數量過多、計算數據量過大，在保留塔吊主體結構特征的基礎上，對模型進行簡化[1]。建立好的塔吊整機三維幾何模型如圖1所示，在此工況下起重機高52.3 m、臂展寬26 m。

圖1 塔吊整機三維模型

1.2 結構有限元模型建立

塔吊結構有限元模型是以塔吊三維幾何模型為基礎，利用專業性更強的第三方網格劃分軟件HyperMesh對塔吊模型進行網格劃分。為保持與流域模型節點相對應，整體使用四面體網格。塔吊結構有限元模型總計有4 235 414個單元和1 385 760個節點。

1.3 計算工況

計算工況為塔吊搖臂起伏45°、水平旋轉0°、雙臂載重均為額定載荷4 t，在六級正面風作用下工作。此工況為塔吊常用工況中較危險工況，因此對此工況展開仿真計算對塔吊的安全檢驗有著一定的指導作用。

1.4 計算及評價標準

工程上使用第四強度理論校核結構靜強度。第四強度理論又稱畸變能理論，其用主應力形式表達的屈服應力條件為：

(1)

其中：σeq為Von-Mises當量應力值；σ1、σ2、σ3分別為X、Y、Z方向主應力；[σ]為材料許用應力。

主塔材料定為Q390，厚度為20 mm以下，屈服強度為390 MPa，抗拉強度為490 MPa～650 MPa，延伸率為19%。塔吊實際使用時，主要為在額定起重量的范圍內吊裝多種荷載，本文進行的仿真計算主要模擬實際使用時相對危險的工況，應力測試結果應滿足安全系數≥2。因此塔吊材料許用強度為：

(2)

其中：σs為塔吊材料屈服極限；n為安全系數，n=2。將相關數值代入式(2)計算得[σ]=195 MPa。

根據DLT319-2010《架空輸電線路施工抱桿通用技術條件及試驗方法》，塔身變形不得超過高度的千分之三，計算得塔吊最大偏移量不得超過140 mm。

2 風場流體分析

2.1 流域模型建立

塔吊所在現場為空曠的空間，確定流場計算范圍為160 m×52 m×106 m。流域模型是以塔吊結構有限元模型為基礎，利用HyperMesh軟件對塔吊流場進行網格劃分，塔吊表面采用三角形網格，流場則采用四面體網格。模型總計有13 320 078個單元和2 293 014個節點，雙面動臂塔吊風場有限元模型如圖2所示。計算工況為六級風正面加載，風速13.8 m/s、風向垂直塔吊雙臂所在中面。

圖2 雙面動臂塔吊風場有限元模型

2.2 流域模型仿真計算

流場網格劃分完成后，將mesh文件導入CFD軟件的Fluent中進行數值模擬計算[2]，得到的雙面動臂塔吊流場仿真計算結果如圖3、圖4所示。在此工況下，轉臺位置由于迎風面積最大，所以風速最大，最大值為24.19 m/s；在塔身、桅桿及搖臂等位置由于細長桿件結構減少了迎風面積，風速較小。風壓與風速呈正相關，所以在塔身、桅桿及搖臂等位置風壓較小，在轉臺位置風壓最大，最大值為133.3 Pa。

圖3 風場整體速度場

3 雙面動臂塔吊流固耦合分析

3.1 流固耦合仿真計算

流固耦合是流體力學與固體力學交叉而形成的一門力學分支，它同時考慮流體與結構特性，以還原較為真實的物理現象[3-5]?？紤]塔吊實際工作中的變形對流體形態影響較小，故采用單向流固耦合分析[6]。

將塔吊結構有限元模型導入到WorkBench平臺，在Static Structural模塊中進行塔吊的材料及邊界定義；同時在Static Structural模塊中，將流域模型仿真計算獲得的風載數據以插值的方式直接傳遞給結構有限元模型，確保了數據的準確性及真實性[7]。對整機耦合計算得到如圖5、圖6所示結果。由圖5、圖6可以看出：塔吊最大應力出現在搖臂頂部位置，為163.7 MPa；最大位移出現在搖臂頂尖，為50.636 mm。

圖4 塔吊表面風壓分布 圖5 塔吊應力云圖 圖6 塔吊位移云圖

3.2 評價結果

由于ANSYS仿真計算所得到的應力結果為馮·米塞思應力，因此可直接將仿真結果與評價標準進行比較。

以雙面動臂塔吊安全評價標準為依據，流固耦合仿真計算結果表明：計算工況下雙面動臂塔吊最大應力出現在搖臂頂部位置，最大應力值為163.7 MPa，小于許用應力值195 MPa；最大位移出現在搖臂頂尖位置，最大值為50.636 mm，小于允許最大偏移量140 mm。

4 結論及展望

通過建立雙面動臂塔吊三維結構模型，并運用計算流體力學與計算結構力學的耦合方法對塔吊進行仿真分析[8]， 得到計算工況下雙面動臂塔吊最大應力小于許用應力值，最大位移小于允許最大偏移，塔吊可保持正常工作。

仿真分析結果為此型雙面動臂塔吊后續測試和安全檢驗建立了數據基礎，對塔吊的結構設計及優化有一定的參考價值。因為塔吊有多種工況，本文研究也可對其他工況展開流固耦合仿真計算以及為塔吊的安全檢驗提供數據參考。