桅桿起重機(jī)是以桅桿為機(jī)身的動臂式起重機(jī)，常用于碼頭港口吊裝大型設(shè)備，具有自重輕、材料省、結(jié)構(gòu)簡單、工作平穩(wěn)、易拆卸移動等特點(diǎn)。單桅桿起重機(jī)是桅桿起重機(jī)常見的一種類型，該類型起重機(jī)沒有專門的臂架，桅桿底端鉸接或固

定于基座上，桅桿頂部用纜繩從一個或多個方向連接于地錨中，桅桿既具有支撐作用，又具有變幅作用。

因此，該類型起重機(jī)的桅桿強(qiáng)度對起重機(jī)的整體安全至關(guān)重要。以某公司一臺６００ｔ門式單桅桿起重機(jī)為分析對象，通過仿真和現(xiàn)場測試２種方式對其強(qiáng)度進(jìn)行分析，判斷其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求，起重機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)為該起重機(jī)的安全性評價提供依據(jù)。

1起重機(jī)基本參數(shù)

該起重機(jī)主桅桿由主桿、橫向連接桁架和上橫梁組成，主桅桿通過下鉸點(diǎn)與基座相連。主桿為桁架結(jié)構(gòu)，由３種不同規(guī)格的無縫鋼管組成，每根主桿由５節(jié)９ｍ長的分段組成，分段之間通過法蘭和螺栓連接。２根主桿之間的橫向連接為桁架

結(jié)構(gòu)，通過法蘭和螺栓與主桿相連。上橫梁為箱形結(jié)構(gòu)，與主桿通過螺栓連接，如圖１所示

該起重機(jī)的載荷曲線如圖２所示，最小幅度為６.５ｍ，最大幅度２５ｍ。幅度在６.５～１９ｍ之間，起重機(jī)額定載荷為６０００ｋＮ，幅度為２５ｍ時，起重機(jī)額定載荷為３００ｔ。

2有限元仿真分析

2.1有限元模型建立建模采用自下而上的方法，即在Ａｎｓｙｓ前處理模塊中先建立點(diǎn)線面，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到單元，在模型建立過程中采用國際單位制。對主桿和連接桿選用ｂｅａｍ１８８單元，該單元的設(shè)定基于鐵木辛哥梁結(jié)構(gòu)理論，適合于分析從細(xì)長到中等粗短的梁結(jié)構(gòu)，在單元設(shè)置中考慮了剪切變形的影響，非常適合線性、大角度轉(zhuǎn)動和并非線性大應(yīng)變問題的模擬分析。根據(jù)主桿和橫向連接桁架的鋼管規(guī)格在單元設(shè)置中定義不同的截面，截面１為φ２７３ｍｍ×１８ｍｍ，截面２為φ１０８ｍｍ×６ｍｍ，截面３為φ１５９ｍｍ×１０ｍｍ，截面４為φ１９４ｍｍ×１０ｍｍ，截面５為φ８３ｍｍ×６ｍｍ，如圖３所示。

主桿的４根弦桿分５段靠螺栓連接，統(tǒng)一使用梁單元，５段連接處在有限元模型中采用剛性連接，網(wǎng)格劃分后主桿和連接桿共８０８個ｂｅａｍ１８８單元。起重機(jī)上橫梁為箱形梁結(jié)構(gòu)，實(shí)際的頂部結(jié)構(gòu)中有丁字形橫梁等復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為了方便建立模型，而且箱形梁對于整個起重機(jī)桅桿結(jié)構(gòu)來講并不是主要分析部位。所以，對上橫梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，采用１２ｍｍ厚的隔板代替箱形梁內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

采用Ｓｈｅｌｌ６３單元模擬上橫梁結(jié)構(gòu)，梁底部與桅桿連接的部位厚度為３０ｍｍ，其他厚度為１２ｍｍ，在模型中根據(jù)材質(zhì)厚度的不同定義了１２ｍｍ、２５ｍｍ、３０ｍｍ３種實(shí)常數(shù)。起升和變幅４個定滑輪在模型中采用Ｓｏｌｉｄ４５實(shí)體單元進(jìn)行模擬。根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況，實(shí)體單元Ｓｏｌｉｄ４５與Ｓｈｅｌｌ

３單元之間的連接應(yīng)屬于鉸接連接，在模型中可直接使用ＭＵＲＧＥ命令把節(jié)點(diǎn)合并，保證２種單元連接的節(jié)點(diǎn)處只傳遞力而不傳遞力矩。劃分網(wǎng)格后模型共有２２８０個Ｓｈｅｌｌ６３單元，１２３２個Ｓｏｌｉｄ４５單元。網(wǎng)格劃分后的上橫梁如圖４所示。

箱形梁與主桿之間的連接即殼單元與梁單元之間的連接，由于殼單元的６個自由度與梁單元的６個自由度意義不同，因此，必須采用措施來耦合２種單元的自由度，采用梁單元插入法，即使梁單元插入殼單元一個單元長度實(shí)現(xiàn)兩者之間的連接。變幅拉繩采用Ｌｉｎｋ１０單元來模擬，該單元有不可壓縮特性而且具有大變形和應(yīng)力剛化效應(yīng)，因此比較合適。根據(jù)設(shè)計資料設(shè)其初始應(yīng)力為０.０００１，單元實(shí)常數(shù)即截面積為５６.５ｍｍ２共劃分為２４個單元。

主桿和橫向連接桁架材質(zhì)為１６Ｍｎ，上橫梁材料為Ｑ２３５Ａ，設(shè)置模型的彈性模量E＝２１００００ＭＰａ，密度為７８５０ｋｇ／ｍ３，泊松比為０.３，重力加速度g＝９.８ｍ／ｓ２。

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