作者：圓周率  轉載請注明出處

前言隨著城市高層建筑的不斷涌現，對塔式起重機（以下簡稱塔機）的安裝高度提出了更高的要求。塔機附著裝置（以下簡稱附墻）作為保證塔機穩定性的重要部件，其設計也就顯得尤為重要。本文主要以某塔機為例簡單介紹如何通過商業有限元軟件Ansys計算塔機在使用過程中附墻每根撐桿內力。

通常塔機一般使用三撐桿或者四撐桿附墻，三撐桿附著一般使用在中小型塔機上，如QTZ63及40，四撐桿附墻一般使用在大型塔機之上，如QTZ80、QTZ125或以上，本文以四撐桿附墻為例，撐桿1至撐桿4兩端均為鉸接，忽略撐桿自重，可將四根撐桿簡化為桿，使用link180單元模擬，附著框為焊接件，故四根附著框使用beam189模擬，附著形式如圖1所示。

圖1 計算簡圖

    眾所周知，從塔機吊起重物到最終放下重物完成一個工作循環，除起升和變幅外，其大臂需要圍繞回轉中心旋轉一定角度，隨著大臂旋轉角度的不同，塔身傳遞給附墻的集中力的角度亦不同，為保證塔機在整個工作循環中附墻的強度和穩定性，需要對集中力從0度~360度之間均進行計算。依靠手算計算每根撐桿的內力顯得捉襟見肘，但依靠Ansys Apdl編程，效率上則會提高很多。

    以本文中四撐桿附墻為例講解如何通過Ansys經典界面求解附墻撐桿內力。其模型建立相對簡單，不再闡述，其材料為結構鋼，彈性模型E=2.1E5，泊松比μ=0.3,4根撐桿為link180單元，4根附著框為beam189單元，撐桿與墻體連接部位全部固定，如圖2。

圖2 有限元模型

其余部分的關鍵Apdl代碼如下：

*do,i,1,360,1   !變量i為角度計數器，每執行一次角度循環計算，i加1，直到i=361時退出循環

/solu

*if,i,le,90,then                  !如果i小于等于90度，則執行以下兩行代碼

f,203,fx,50000*cos(i*3.14/180)    !注意弧度與角度的切換

f,203,fy,50000*sin(i*3.14/180)

*endif

*if,i,gt,90,and,i,le,180,then      !91~180度

f,203,fx,-50000*sin(i*3.14/180-90*3.14/180)    !注意弧度與角度的切換

f,203,fy,50000*cos(i*3.14/180-90*3.14/180)

*endif

.......      !為減少篇幅，181~360度的計算代碼省略

/post1

etable,fi,smisc,1        ! 提取桿單元的軸向力

*get,vstress(i,1),elem,1,etable,fi     !將1號桿單元（單元號1）的軸向力存入vstress數組中，以下類同

*get,vstress(i,2),elem,103,etable,fi   !將2號桿單元（單元號為103）的軸向力存入vstress數組中，以下類同

*get,vstress(i,3),elem,102,etable,fi

*get,vstress(i,4),elem,104,etable,fi

*end do

    值得注意的兩點是，其一，本文加載集中力采用分量形式加載，即將某一角度集中力分別投影至X軸和Y軸，但隨著角度不同，其正負號亦不同；其二，施加約束時應將4根撐桿和4根附墻框的平面法向方向的位移約束住，因為附著撐桿采用link180模擬，雖然添加附墻與墻體的約束時將所有自由度的約束固定，但只固定了三個方向的平動自由度，其轉動自由度未固定，若此時計算，將會發生剛體位移，導致求解失敗。

    求解后將數據導入Excel繪圖，得到如圖3：

    圖3 附墻撐桿內力變化圖

    從圖3可知，隨著大臂角度的變化，其撐桿的內力呈周期性變化，且撐桿時而受拉，時而受壓，故在設計附墻撐桿時除進行強度計算外，還需要進行壓桿穩定性驗算。

    總結：由上文可知，通過Ansys的Apdl編程，可以快速、方便的計算附墻撐桿在塔機大臂每個角度的內力變化值，為設計人員提供了充分可靠的設計依據，若讀者感興趣可更深入的思考一些問題，本附墻撐桿未進行對稱布置，讀者可以試著將4根撐桿沿著塔身對稱布置，對比兩個布置的撐桿內力，是否有所變化？如何布置才能將4根撐桿的內力值降到最低，這些都是值得探索的課題，本文僅作拋磚引玉之用。

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