金屬結構是塔式起重機的重要組成部分，一般情況下，金屬結構自重占塔機整機總重量的一半以上，塔機金屬結構的合理設計，對塔機減輕自重、提高塔機性能有非常重要的意義。塔身結構按構造可分為格構式和實腹式兩種；按受力特點分為以承受軸向力為主的旋轉塔身和受壓彎扭轉作用的不旋轉塔身。

    無論設計哪種型式的塔身，都必須計算其強度、剛度和穩(wěn)定性等。目前應用較多的是格構式，

    其計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 的塔機塔身設計為例，分別采用平面分析方法和有限元分析方法進行設計分析、比較兩種設計方法的不同和有限元分析法的優(yōu)越性。

    1塔身設計思路

    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行設計計算，都要考慮塔身結構的確定和塔身受力分析這兩個難題。

    首先對塔身結構進行分析，塔身的結構設計與塔機的類型和所采用的頂升方式有關，同時還要考慮塔身結構中是否有基礎節(jié)、加重節(jié)、加強節(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塔身產(chǎn)生的作用力；塔機運行、回轉機構起制動時，由塔身質量產(chǎn)生的水平慣性載荷及作用于塔身上的風載荷等。塔身結構設計時，以上各種載荷要按最不利的載荷位置和載荷組合進行計算，作為塔身計算的基本依據(jù)。一般取最不利工況進行計算－工作狀態(tài)變幅小車在最大幅度時，非工作狀態(tài)主要是計算最大允許風壓產(chǎn)生的風載荷作用。

    2　平面靜力分析

    采用平面靜力分析時，在分析塔身的4 個最不利的工況中，不能每一種工況都對塔身的所有

    桿件進行設計分析，一般是根據(jù)經(jīng)驗，一種工況下對應設計計算一種或兩種塔身桿件。

2.1　塔身主弦桿的校核

2.1.1　技術參數(shù)

    1）工況　吊臂位于塔身橫截面的對角線上；

    塔機位于行走和回轉的啟、制動狀態(tài)；風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　下回轉支座及其以上自重(不包括吊重)GD ＝ 950 000N，下回轉支座及其以上彎矩( 不包括風載和慣性產(chǎn)生的彎矩) M D ＝950 000Nm，內(nèi)塔節(jié)的自重GN ＝ 114 800N，標準節(jié)自重GB ＝ 7 0 0 0 0 N ，頂升機構自重GS ＝52 530N，吊臂自重GBJ ＝ 196 000N 和平衡臂的自重(含配重)Gp ＝430 000N。

    3）運動系數(shù)　小車加速度ax ＝ 0.5m/s2，回轉轉數(shù)n ＝0.6r/min，回轉加速度ah ＝ 0.01 和大車行走加速度ad ＝ 0.07m/s2。

    4）風載　計算得內(nèi)塔節(jié)的風載Fw ＝2 740N，標準節(jié)所受的風載Fwb ＝ 2 740N，配重的風載Fwp＝ 1 542N，塔頂撐桿的風載Fwc ＝ 866N，司機室的風載Fws ＝ 960N 和吊重的風載Fwz ＝ 6 000N。

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

    6）整個塔身承受的軸向力　NZ ＝GD ＋GN＋nGB ＋ GS ＋ Q ＝ 2 157 000N，其中n 為標準節(jié)的個數(shù)。

    7）對塔身根部的彎矩　M總＝MD ＋M慣力＋M風力＋M離心力= 6 132 067Nm。

2.1.2　對標準節(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 為標準節(jié)的主弦桿的個數(shù)，L為標準節(jié)截面的對角線的長度。

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

2.1.3　內(nèi)塔節(jié)主弦桿的校核

    同標準節(jié)主弦桿的校核，其中的M 總＝3 403 000Nm 為對內(nèi)塔節(jié)根部的彎矩，且L ＝ 3m

為內(nèi)塔節(jié)截面的對角線的長度。

2.1.4　連接接頭的強度校核

    標準節(jié)之間的連接接頭最大應力P ＝ Nmax ＝2 345 000N，再求出最小斷面面積A＝ 91cm2，最大應力s ＝ 157.7MPa，并進行校核。

2.1.5　標準節(jié)之間連接銷軸的強度校核

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

2.2　塔身腹桿的校核

2.2.1　技術參數(shù)

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

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

    3）行走慣性力　配重塊的行走慣性力Hpz ＝6 270N,起升機構的行走慣性力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，長拉桿行走慣性力Hcl ＝920N，變幅機構行走慣性力Hbj ＝ 98N，吊重的行走慣性力Hdz ＝ 4.8N。

    4）整機扭矩　M總=MF+Mg ＝ 693 650Nm ， 其中風載的扭矩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　應用庫德里亞切夫計算法，求出內(nèi)塔節(jié)的水平腹桿以及斜腹桿的受力，T ＝ 161 300N。

2.2.2　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。

    標準節(jié)腹桿s2 ＝ N2max/ (wA)＝ 72.8MPa ＜[s]，滿足條件。

2.3　非工作狀態(tài)下塔身主弦桿的校核

2.3.1　工況

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

2.3.2　校核內(nèi)塔節(jié)主弦桿的強度

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

2.3.3　校核標準節(jié)主弦桿的強度

    每節(jié)標準節(jié)風載FWB ＝ 7 600N，標準節(jié)受的總軸向力Nz= 1 960 000N，對標準節(jié)根部的彎矩M總＝8 785 650Nm，標準節(jié)主弦桿的受力以及應力Nmax ＝ 3 000 000N，s ＝ 250MPa ＜[s]，滿足條件。

2.4　塔身疲勞的校核

2.4.1　技術參數(shù)

    吊臂位于塔身橫截面的對角線上；塔機位于回轉的啟、制動狀態(tài)；不考慮風載；整個塔身受的軸向力Nz ＝2157000N，對塔身根部的彎矩 M總＝ 3397000Nm。

2.4.2　最大應力值

1）單支主桿受力

    N=Nz/n±M總/L＝2157000/4±3397000/3.5  其中，正的為Nmax，負的為Nmin。

2）疲勞應力循環(huán)特性

   Х＝σmin/σmax ＝ -0.287

3）疲勞許用應力值

3　有限元法分析

    利用先進的有限元分析軟件設計計算是通過系統(tǒng)的人機界面對話，對目標塔機的塔身進行必要參數(shù)的輸入，對于不同型式的塔身，將要進入設計的人機界面也是不同的，設計最后生成一個以固定格式和名稱存在的數(shù)據(jù)文件?；谟邢拊ǖ乃C設計計算系統(tǒng)，塔身設計模塊的設計計算過程如下。

    1）通過主界面進入各個子系統(tǒng)，塔身設計是在進入主界面，并建立或打開了一個工程后開始設計的，要先進入總體結構設計模塊，對塔機的總體參數(shù)進行設計，完成塔機主要總體參數(shù)的輸入、選擇塔機型式、選擇塔身型式等。

    2 ）首先要對這種結構塔身的設計初參數(shù)進行輸入。選擇好塔身的結構型式后，塔身以后的設計過程便確定下來，不同的結構型式，塔身設計初參數(shù)有不同的參數(shù)輸入。

    3）塔身的結構參數(shù)設計如圖3，塔身結構型式多種多樣，多種結構部分參數(shù)的輸入，在系統(tǒng)中是通過幾個界面完成的，塔身結構設計涉及到的設計界面主要有：塔身標準節(jié)設計、塔身基礎節(jié)設計(加強節(jié)、重節(jié))、附著框架設計、附著尺寸設計、塔身過渡節(jié)設計、塔身內(nèi)塔節(jié)設計等。

    4) 塔身結構桿件參數(shù)設計完成之后，進入塔身設計的受力分析階段如圖4 ，界面參數(shù)是由塔機的塔頂負荷計算模塊傳遞的，如果特殊情況下需要改變其中的一個或幾個參數(shù)，可以點擊圖中的“參數(shù)修改”按鈕。當點擊“生成載荷文本”按鈕后，系統(tǒng)會自動生成一個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，為塔身的強度、剛度、穩(wěn)定性的校核提供原始數(shù)據(jù)。

    5）塔身結構的初參數(shù)設計完成后，瀏覽設計過程參數(shù)，生成參數(shù)設計過程說明書，用于純數(shù)據(jù)文本的導出和下一次設計相同數(shù)據(jù)導入的數(shù)據(jù)文件，為軟件分析服務的固定格式、名稱、路徑的數(shù)據(jù)流文件等3 個系統(tǒng)文件。

    6）系統(tǒng)自動調用分析軟件使其進入后臺執(zhí)行，完成塔身的有限元分析，自動退出分析軟件并給出結束信息提示有限元分析完成，即可進入下一步的操作，對有限元分析后的應力結果和數(shù)據(jù)，可為塔機的其它部分設計提供必要的塔身參數(shù)。在返回應力結果和數(shù)據(jù)結果同時，還有塔身設計分析的具體有限元單元的分布圖，使設計結果更加直觀。

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

    經(jīng)過設計分析比較，有限元分析法與傳統(tǒng)分析計算方法具有較明顯的優(yōu)勢，表現(xiàn)出諸多優(yōu)點。 節(jié)省了設計研究人員繁瑣的計算及校核，而且使設計的計算結果更加精確，設計過程中的修改變得更加簡單，不會由于人為的馬虎而造成整個設計的錯誤。設計分析結果更加精確，有限元分析軟件能夠自動對塔身進行建模、加載荷、求解，并且通過與AutoCAD 連接，即可得到塔身設計的完整結構圖形，參數(shù)化設計軟件可在設計參數(shù)不同的同類產(chǎn)品時，根據(jù)用戶需要，修改少量的基本參數(shù)，快速設計出新產(chǎn)品，縮短產(chǎn)品的設計周期，實現(xiàn)市場的快速反應。