基于有限元法的塔式起重机钢结构疲劳寿命研究

摘要

塔式起重机作为现代施工中的重要起重设备，其安全可靠运行是保证整个施工现场安全的重要指标。但随着高层、板式建筑结构的增多，塔式起重机的满载率加大，工作繁忙程度加重，有些塔式起重机大部份工作时间已在高应力水平下运行，以前的设计手段已经不能满足现代塔式起重机的发展了。本文对多起塔式起重机坍塌事故进行了分析研究，发现这些坍塌事故中有相当一部分是由于结构的疲劳破坏引起的，暴露了国内塔式起重机的设计缺陷。因此，本文提出了一种采用疲劳有限元分析软件MSC.FATIGUE来对塔式起重机钢结构进行疲劳寿命估算的方法。该方法不但可以对现行在役塔式起重机进行剩余寿命评估，同时还能有效地指导新型塔式起重机的开发设计，提高了国内塔式起重机的设计水平。本文主要进行了以下研究工作： 对疲劳理论知识进行了分析总结，研究了塔式起重机的实际工作状况，得出塔式起重机的疲劳类型为机械高周变幅疲劳。并根据其疲劳类型，确定选用安全寿命设计方法对塔式起重机钢结构进行疲劳分析，并应用名义应力法估算塔式起重机钢结构的疲劳寿命。 研究了有限单元法的基本知识，提出了对塔式起重机钢结构进行有限元建模的简化原则和具体处理方法，采用MSC.PATRAN软件对塔式起重机进行了有限元建模。将塔式起重机起重臂的每跨节点作用额定载荷时定义为一个工况，并用msc.natran软件同时计算了各工况下其结构的静应力值，这为后面进行疲劳寿命估算提供“几何条件”。 将塔式起重机所受的疲劳载荷划分为变幅载荷和冲击载荷。对于变幅载荷，本文提出了一种采用现场观测加数理统计的方法，得到变幅小车的运动规律，首次提出变幅小车在起重臂下弦杆的每跨轨道上运行的频数与起重臂的坐标成正态分布，并得出了正态概率密度函数。以一天为一个周期，得出了变幅载荷的时间历程。对于变幅载荷，本文提出对塔式起重机进行瞬态响应的方法得出主要工况下起升钢丝绳内的内力时间关系，从而得到冲击载荷的时间历程。 以QTZ4010型塔式起重机为例，提出了用疲劳有限元软件对塔式起重机进行疲劳寿命分析的具体方法，得到了该类型塔式起重机的疲劳寿命。根据疲劳寿命结果得出该类型式起重机起重臂的设计不用考虑疲劳问题。同时，对该类型塔式起重机提出了一种优化方案。