论文总字数：18934字

摘 要

平头塔式起重机是建筑业经常使用的一种大型机械设备，它结构简单，连接组装方便且适用性好，因而受到了广大客户的青睐。

作为平头塔机的重要组成部分，塔身的结构是否符合要求关系着塔机能否安全、正常的使用。本文对TP6013型平头塔式起重机的塔身进行了初步设计，分析了在不同工况下平头塔式起重机塔身的受载荷情况，并通过有限元软件ANSYS的参数化语言APDL对塔身进行建模分析，确定塔身是否满足强度、刚度要求。最后基于分析结果对塔身结构的几何参数进行调整，使之在满足各工况的前提下尽量减少材料的使用。

关键词：平头塔式起重机 塔身 有限元 ANSYS 优化

Design and calculation of tower body of TP6013 flat-headed tower crane based on finite element

Abstract

Flat head tower crane is a common large mechanical equipment in construction business. The flat head tower crane’s structure is simple,connection and assembly is convenient, also have a good applicability. For these reasons, flat head tower crane is favored by customers.

As key components of flat head tower crane, whether the structure of tower body meet the requirements is related to the safe and normal use of the tower crane. This paper designs the tower body of the TP6013 flat head tower crane preliminary, and by using APDL,the parametric language of ANSYS to model the tower body. After modeling, this paper analyzes the load on the flat head tower crane under different working conditions, to determine whether the tower body meets the requirements of strength and rigidity. Finally, based on the analysis results, the structural parameters of the tower body are optimized to minimize the use of materials on the premise of satisfying the all working conditions.

Key Words:flat head tower crane; tower body; finite element; ANSYS; optimization

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 平头塔式起重机的介绍 1

1.2 平头塔式起重机的发展及现状 1

1.3 课题的研究内容及方法 2

1.3.1 研究内容 2

1.3.2 研究方法 2

第二章 塔身结构初步设计 3

2.1 塔身材料的选择 3

2.2 塔身的结构及组成 3

2.2.1标准节的设计 3

2.2.2 加强节的设计 4

2.2.3底座钢架的设计 5

2.2.4 塔身的连接方式 5

第三章 塔身结构有限元建模 7

3.1 有限元软件ANSYS简介 7

3.2 塔身结构的有限元建模 7

3.2.1 标准节的建模 9

3.2.2加强节的建模 12

3.2.3 斜撑板的建模 12

3.3载荷分析 14

3.3.1 常规载荷 14

3.3.2 偶然载荷 15

3.3.3 特殊载荷 15

3.4工况分析 15

3.5风载荷的计算与施加 16

3.5.1 风载荷的计算 16

3.5.2 风载荷的施加 17

3.6 约束的施加 18

3.7 质量单元的施加 19

3.8 弯矩和扭矩的施加 19

第四章 塔身有限元分析 21

4.1工况一有限元分析 21

4.2工况二有限元分析 22

4.3工况三有限元分析 23

4.4工况四有限元分析 24

4.5工况五有限元分析 25

4.6塔身结构优化 26

4.6.1 塔身强度、刚度校核 26

4.6.2 改变角钢尺寸后的塔身分析 27

4.6.3塔身结构尺寸参数优化 30

第五章 经济性分析 34

5.1 各组合材料消耗分析 34

5.2 安全性分析 34

5.3 成本分析 35

结语 36

致谢 37

参考文献 38

第一章 绪 论

1.1 平头塔式起重机的介绍

作为一种常用的重型机械，塔式起重机的发展已有百年的历史^[[1]]。而平头塔式起重机则是塔式起重机家族中近30年才发展起来的一种新型塔式起重机。平头塔式起重机的结构新颖，没有塔头和没有拉杆是其最为显著的结构特征[^[2]]。随着人们对平头塔机的了解逐渐加深，平头塔机在世界范围内得到了快速的发展。

平头塔式起重机具有以下优点：

（1）平头塔机的结构简单，力学模型单一，因此其起重臂的连接简便，有利于快速拆装[^[3]]。

（2）因其受力简单，故结构变形小，使得平头塔机起重臂的结构寿命长，安全性高。尤其是在一些紧急情况如急停、快速回转时相比于一般的塔机更加安全。

（3）平头塔机的设计方便，设计成本和生产成本低[^[4]]。

图1-1 平头塔式起重机

1.2 平头塔式起重机的发展及现状

瑞典Linden公司于1975年正式提出了平头塔机的概念，并于1977年推出了世界上第一台平头塔机Linden8000[^[5]]。但由于当时市场并不看好这种无塔头的起重机，认为这种结构不合理，使用不安全，故平头塔机的发展一直较为缓慢[^[6]]。一直到1996年各大起重机械制造公司开始对平头塔机产生兴趣，才算真正推动了平头塔机的发展。现如今，国外各大塔机制造商都有推出各自的平头塔机，足以看出平头塔机在塔机市场中的重要地位。

在国内，平头塔机的发展历史并不长。1994年，台资企业中昇建机从国外引进了ZSC系列平头塔机的技术并进行生产。随后，抚顺永茂建筑机械有限公司等厂家开始研发生产平头塔式起重机。在研发平头塔机的过程中，西班牙Comansa平头塔机对我国塔机研发造成了巨大的影响，因而国内的平头塔机生产商大都参考、吸收了Comansa平头塔机的技术。

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