金屬結(jié)構(gòu)是塔式起重機(jī)的重要組成部分，一般情況下，金屬結(jié)構(gòu)自重占塔機(jī)整機(jī)總重量的一半以上，塔機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，對(duì)塔機(jī)減輕自重、提高塔機(jī)性能有非常重要的意義。塔身結(jié)構(gòu)按構(gòu)造可分為格構(gòu)式和實(shí)腹式兩種；按受力特點(diǎn)分為以承受軸向力為主的旋轉(zhuǎn)塔身和受壓彎扭轉(zhuǎn)作用的不旋轉(zhuǎn)塔身。

    無論設(shè)計(jì)哪種型式的塔身，都必須計(jì)算其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性等。目前應(yīng)用較多的是格構(gòu)式，其計(jì)算可以采用平面靜力方法或空間桿系有限元方法來完成。以最大起重量20t、最大工作幅度70m、臂端最大起重量5t 的塔機(jī)塔身設(shè)計(jì)為例，分別采用平面分析方法和有限元分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)分析、比較兩種設(shè)計(jì)方法的不同和有限元分析法的優(yōu)越性。

    1. 塔身設(shè)計(jì)思路

    無論是采用平面靜力分析的方法，還是采用空間桿系有限元分析方法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，都要考慮塔身結(jié)構(gòu)的確定和塔身受力分析這兩個(gè)難題。

    首先對(duì)塔身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，塔身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與塔機(jī)的類型和所采用的頂升方式有關(guān)，同時(shí)還要考慮塔身結(jié)構(gòu)中是否有基礎(chǔ)節(jié)、加重節(jié)、加強(qiáng)節(jié)或過渡節(jié)。其次是塔身的受力分析，塔身受力分工作和非工作兩種狀態(tài)。塔身上的載荷有：塔身自重，上部臂架和平衡臂上的各種載荷對(duì)塔身產(chǎn)生的作用力；塔機(jī)運(yùn)行、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)起制動(dòng)時(shí)，由塔身質(zhì)量產(chǎn)生的水平慣性載荷及作用于塔身上的風(fēng)載荷等。塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，以上各種載荷要按最不利的載荷位置和載荷組合進(jìn)行計(jì)算，作為塔身計(jì)算的基本依據(jù)。一般取最不利工況進(jìn)行計(jì)算－工作狀態(tài)變幅小車在最大幅度時(shí)，非工作狀態(tài)主要是計(jì)算最大允許風(fēng)壓產(chǎn)生的風(fēng)載荷作用。

　2．平面靜力分析

　采用平面靜力分析時(shí)，在分析塔身的4 個(gè)最不利的工況中，不能每一種工況都對(duì)塔身的所有桿件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，一般是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一種工況下對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)計(jì)算一種或兩種塔身?xiàng)U件。

　塔身主弦桿的校核

　技術(shù)參數(shù)

　１）工況　吊臂位于塔身橫截面的對(duì)角線上；

　塔機(jī)位于行走和回轉(zhuǎn)的啟、制動(dòng)狀態(tài)；風(fēng)向平行于吊臂的縱向中心線，并由配重方向吹向吊臂方向；最大起重量為20 000kg 及其所在的工作幅度為22.4m；材料為Q235、Q345 和16Mn。

　2）自重　下回轉(zhuǎn)支座及其以上自重(不包括吊重)GD ＝ 950 000N，下回轉(zhuǎn)支座及其以上彎矩( 不包括風(fēng)載和慣性產(chǎn)生的彎矩) M D ＝950 000Nm，內(nèi)塔節(jié)的自重GN ＝ 114 800N，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)自重GB ＝ 7 0 0 0 0 N ，頂升機(jī)構(gòu)自重GS ＝52 530N，吊臂自重GBJ ＝ 196 000N 和平衡臂的自重(含配重)Gp ＝430 000N。

　3）運(yùn)動(dòng)系數(shù)　小車加速度ax ＝ 0.5m/s2，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)n ＝0.6r/min，回轉(zhuǎn)加速度ah ＝ 0.01 和大車行走加速度ad ＝ 0.07m/s2。

　4）風(fēng)載　計(jì)算得內(nèi)塔節(jié)的風(fēng)載Fw ＝2 740N，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)所受的風(fēng)載Fwb ＝ 2 740N，配重的風(fēng)載Fwp＝ 1 542N，塔頂撐桿的風(fēng)載Fwc ＝ 866N，司機(jī)室的風(fēng)載Fws ＝ 960N 和吊重的風(fēng)載Fwz ＝ 6 000N。

　5）行走慣性力　回轉(zhuǎn)支座及其以上部分(包括吊重)的行走慣性力HD ＝Gaj/g， 其中，G為回轉(zhuǎn)支座及其以上部分的重力，j 為行走慣性力計(jì)算的載荷系數(shù)，計(jì)算得HD ＝8 200N，內(nèi)塔節(jié)慣性力HN ＝ 820N，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)慣性力HB ＝ 500N。

　6）整個(gè)塔身承受的軸向力　NZ ＝GD ＋GN＋nGB ＋ GS ＋ Q ＝ 2 157 000N，其中n 為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的個(gè)數(shù)。

　7）對(duì)塔身根部的彎矩　M總＝MD ＋M慣力＋M風(fēng)力＋M離心力= 6 132 067Nm。

　對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的校核

　單根主弦桿受力Nmax ＝ NZ/ n ＋ M總/ L ＝2 345 000N，其中n 為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的主弦桿的個(gè)數(shù)，L為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)截面的對(duì)角線的長(zhǎng)度。

　主弦桿的穩(wěn)定系數(shù)w ＝ 0.967，主弦桿的應(yīng)力s ＝Nmax/(wA)＝ 165.7MPa ＜[s]，滿足條件。

　內(nèi)塔節(jié)主弦桿的校核

　同標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的校核，其中的M 總＝3 403 000Nm 為對(duì)內(nèi)塔節(jié)根部的彎矩，且L ＝ 3m 為內(nèi)塔節(jié)截面的對(duì)角線的長(zhǎng)度。

　連接接頭的強(qiáng)度校核

　標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間的連接接頭最大應(yīng)力P ＝ Nmax ＝2 345 000N，再求出最小斷面面積A＝ 91cm2，最大應(yīng)力s ＝ 157.7MPa，并進(jìn)行校核。

　標(biāo)準(zhǔn)節(jié)之間連接銷軸的強(qiáng)度校核

　銷軸的最大剪力P ＝ Nmax/2 ＝ 1 172 500N，受力面積A ＝ 28.2cm2，許用剪應(yīng)力[t]＝ 387.7MPa。剪應(yīng)力t ＝ P/2A ＝ 208.7MPa<[t]，滿足條件。

　塔身腹桿的校核

　技術(shù)參數(shù)

　1）工況　吊臂位于塔身橫截面的對(duì)角線上(即與軌道夾角成45°);塔機(jī)位于回轉(zhuǎn)的啟、制動(dòng)狀態(tài)；風(fēng)向與回轉(zhuǎn)方向一致；最大起重量為200 000N 及其所在的工作幅度為22.4m。

　2）風(fēng)載　每節(jié)吊臂的風(fēng)載Fwb ＝ 3 212N，吊重風(fēng)載Fwz ＝6 000N，配重塊的風(fēng)載Fwg ＝2 062N，平衡臂風(fēng)載Fwp ＝ 34 500N 和起升機(jī)構(gòu)風(fēng)載Fwq ＝850N 。

　3）行走慣性力　配重塊的行走慣性力Hpz ＝6 270N,起升機(jī)構(gòu)的行走慣性力Hq ＝ 200N，平橫臂的行走慣性力Hp＝1 940N，每節(jié)吊臂的行走慣性力Hn ＝ 171.5N、383N、628.5N、688.5N、906N、922.8N、1 009.6N、196N，短拉桿行走慣性力Hdl ＝ 96N，長(zhǎng)拉桿行走慣性力Hcl ＝920N，變幅機(jī)構(gòu)行走慣性力Hbj ＝ 98N，吊重的行走慣性力Hdz ＝ 4.8N。

　4）整機(jī)扭矩　M總=MF+Mg ＝ 693 650Nm ，其中風(fēng)載的扭矩MF ＝ 507 330Nm，行走慣性力的扭矩Mg ＝ 186 320Nm。

　5 ）求內(nèi)塔節(jié)腹桿受力　應(yīng)用庫(kù)德里亞切夫計(jì)算法，求出內(nèi)塔節(jié)的水平腹桿以及斜腹桿的受力，T ＝ 161 300N。

　內(nèi)塔節(jié)主弦桿的校核

　腹桿的穩(wěn)定系數(shù)w＝0.931，內(nèi)塔節(jié)腹桿s1＝N1max/(wA)＝ 126.8MPa ＜[s]，滿足條件。

　標(biāo)準(zhǔn)節(jié)腹桿s2 ＝ N2max/ (wA)＝ 72.8MPa ＜[s]，滿足條件。

　非工作狀態(tài)下塔身主弦桿的校核

　工況

　吊臂位于塔身橫截面的對(duì)角線上； 風(fēng)向平行于吊臂的縱向中心線，并由配重方向吹向吊臂方向，風(fēng)載為1 100Pa。

　校核內(nèi)塔節(jié)主弦桿的強(qiáng)度

　內(nèi)塔節(jié)風(fēng)載Fwn ＝ 14 630N，配重風(fēng)載Hwp ＝6785N，塔頂撐桿風(fēng)載Hwc ＝ 2200N，司機(jī)室風(fēng)載H ws ＝ 4224 N 。內(nèi)塔節(jié)受的總軸向力Nz ＝1120000 N ，對(duì)內(nèi)塔節(jié)根部的彎矩M 總＝3 500 000Nm，內(nèi)塔節(jié)主弦桿的受力及應(yīng)力Nmax＝1 446 000N，s ＝ 126.2MPa ＜[s]，滿足條件。

　校核標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的強(qiáng)度

　每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)風(fēng)載FWB ＝ 7 600N，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)受的總軸向力Nz= 1 960 000N，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)根部的彎矩M總＝8 785 650Nm，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的受力以及應(yīng)力Nmax ＝ 3 000 000N，s ＝ 250MPa ＜[s]，滿足條件。

　塔身疲勞的校核

　技術(shù)參數(shù)

　吊臂位于塔身橫截面的對(duì)角線上；塔機(jī)位于回轉(zhuǎn)的啟、制動(dòng)狀態(tài)；不考慮風(fēng)載；整個(gè)塔身受的軸向力Nz ＝2157000N，對(duì)塔身根部的彎矩 M總＝ 3397000Nm。

　最大應(yīng)力值

　1）單支主桿受力

　N=Nz/n±M總/L＝2157000/4±3397000/3.5

　其中，正的為Nmax，負(fù)的為Nmin。

　2）疲勞應(yīng)力循環(huán)特性

　Х＝σmin/σmax ＝ -0.287

　3）疲勞許用應(yīng)力值

　有限元法分析

　利用先進(jìn)的有限元分析軟件設(shè)計(jì)計(jì)算是通過系統(tǒng)的人機(jī)界面對(duì)話，對(duì)目標(biāo)塔機(jī)的塔身進(jìn)行必要參數(shù)的輸入，對(duì)于不同型式的塔身，將要進(jìn)入設(shè)計(jì)的人機(jī)界面也是不同的，設(shè)計(jì)最后生成一個(gè)以固定格式和名稱存在的數(shù)據(jù)文件?；谟邢拊ǖ乃C(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算系統(tǒng)，塔身設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)計(jì)算過程如下。

　1）通過主界面進(jìn)入各個(gè)子系統(tǒng)，塔身設(shè)計(jì)是在進(jìn)入主界面，并建立或打開了一個(gè)工程后開始設(shè)計(jì)的，要先進(jìn)入總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊，對(duì)塔機(jī)的總體參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成塔機(jī)主要總體參數(shù)的輸入、選擇塔機(jī)型式、選擇塔身型式等。

　2 ）首先要對(duì)這種結(jié)構(gòu)塔身的設(shè)計(jì)初參數(shù)進(jìn)行輸入。選擇好塔身的結(jié)構(gòu)型式后，塔身以后的設(shè)計(jì)過程便確定下來，不同的結(jié)構(gòu)型式，塔身設(shè)計(jì)初參數(shù)有不同的參數(shù)輸入。

　3）塔身的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)如圖3，塔身結(jié)構(gòu)型式多種多樣，多種結(jié)構(gòu)部分參數(shù)的輸入，在系統(tǒng)中是通過幾個(gè)界面完成的，塔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到的設(shè)計(jì)界面主要有：塔身標(biāo)準(zhǔn)節(jié)設(shè)計(jì)、塔身基礎(chǔ)節(jié)設(shè)計(jì)(加強(qiáng)節(jié)、重節(jié))、附著框架設(shè)計(jì)、附著尺寸設(shè)計(jì)、塔身過渡節(jié)設(shè)計(jì)、塔身內(nèi)塔節(jié)設(shè)計(jì)等。

　4)塔身結(jié)構(gòu)桿件參數(shù)設(shè)計(jì)完成之后，進(jìn)入塔身設(shè)計(jì)的受力分析階段如圖4 ，界面參數(shù)是由塔機(jī)的塔頂負(fù)荷計(jì)算模塊傳遞的，如果特殊情況下需要改變其中的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)，可以點(diǎn)擊圖中的“參數(shù)修改”按鈕。當(dāng)點(diǎn)擊“生成載荷文本”按鈕后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)以固定格式和固定名稱以及固定路徑的數(shù)據(jù)文件，主要是為分析軟件所建立的塔身模型提供加載荷條件的，給出塔身的4 種工況下不同的載荷，為塔身的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的校核提供原始數(shù)據(jù)。

　5）塔身結(jié)構(gòu)的初參數(shù)設(shè)計(jì)完成后，瀏覽設(shè)計(jì)過程參數(shù)，生成參數(shù)設(shè)計(jì)過程說明書，用于純數(shù)據(jù)文本的導(dǎo)出和下一次設(shè)計(jì)相同數(shù)據(jù)導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件，為軟件分析服務(wù)的固定格式、名稱、路徑的數(shù)據(jù)流文件等3 個(gè)系統(tǒng)文件。

　6）系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用分析軟件使其進(jìn)入后臺(tái)執(zhí)行，完成塔身的有限元分析，自動(dòng)退出分析軟件并給出結(jié)束信息提示有限元分析完成，即可進(jìn)入下一步的操作，對(duì)有限元分析后的應(yīng)力結(jié)果和數(shù)據(jù)，可為塔機(jī)的其它部分設(shè)計(jì)提供必要的塔身參數(shù)。在返回應(yīng)力結(jié)果和數(shù)據(jù)結(jié)果同時(shí)，還有塔身設(shè)計(jì)分析的具體有限元單元的分布圖，使設(shè)計(jì)結(jié)果更加直觀。

　7）設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有限元分析結(jié)果分4種情況討論，并可通過結(jié)果數(shù)據(jù)的查詢來判斷塔身所有桿件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等是否滿足要求條件，再根據(jù)不同的需要進(jìn)行修改優(yōu)化，這是一個(gè)反復(fù)的過程，最后得到塔身設(shè)計(jì)的理想結(jié)果。

    經(jīng)過設(shè)計(jì)分析比較，有限元分析法與傳統(tǒng)分析計(jì)算方法具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，表現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn)。節(jié)省了設(shè)計(jì)研究人員繁瑣的計(jì)算及校核，而且使設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果更加精確，設(shè)計(jì)過程中的修改變得更加簡(jiǎn)單，不會(huì)由于人為的馬虎而造成整個(gè)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤。設(shè)計(jì)分析結(jié)果更加精確，有限元分析軟件能夠自動(dòng)對(duì)塔身進(jìn)行建模、加載荷、求解，并且通過與AutoCAD 連接，即可得到塔身設(shè)計(jì)的完整結(jié)構(gòu)圖形，參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件可在設(shè)計(jì)參數(shù)不同的同類產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)用戶需要，修改少量的基本參數(shù)，快速設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)的快速反應(yīng)。