【摘 要】本文在充分考慮了能代表井架結(jié)構(gòu)實(shí)際承載狀態(tài)的載荷分布的情況下，利用ANSYS軟件對施工升降機(jī)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)靜力分析和模態(tài)分析，后處理得出的應(yīng)力、應(yīng)變云圖，為升降機(jī)井架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供了參考；得出的固有頻率和振型為井架結(jié)構(gòu)提供了具體的動載荷參數(shù)，同時也可為探求同類結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性提供一些有用的參考。

【關(guān)鍵詞】升降機(jī)井架；ANSYS；有限元

升降機(jī)井架是最主要的承載結(jié)構(gòu)部件，其質(zhì)量在結(jié)構(gòu)總質(zhì)量中所占比例最高，且對其他結(jié)構(gòu)影響較大。因此，考慮升降機(jī)在上、下運(yùn)輸人或物時，尤其在啟動、停車階段，井架結(jié)構(gòu)將受到比靜載荷大得多的動載荷影響，極可能出現(xiàn)在動態(tài)載荷作用下的結(jié)構(gòu)振動失穩(wěn)現(xiàn)象，破壞升降機(jī)的性能。鑒于此，本文對升降機(jī)井架進(jìn)行了模態(tài)分析。

1.建立有限元模型

傳統(tǒng)的工程計(jì)算方法誤差較大，而三維有限元分析軟件ANSYS解決了這種計(jì)算上的不足，使其既有利于理論分析計(jì)算，又能滿足工程上的精度要求。

根據(jù)施工升降機(jī)井架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在ANSYS中可利用梁單元來模擬施工升降機(jī)的結(jié)構(gòu)，在建立模型時做以下兩點(diǎn)處理：（1）井架立柱、水平桿和斜拉桿的每個連接點(diǎn)根據(jù)實(shí)際尺寸都建立了節(jié)點(diǎn)，保證有限元模型與井架在幾何上的相同。（2）井架底部結(jié)構(gòu)剛度很大，又與地基用地腳螺栓相連，認(rèn)為在底部能承受彎矩，即假定它是固接支座；附著裝置通過銷軸與井架相連，連桿以梁單元處理，根部與墻身的連接作為固接支座。

以本研究所研制開發(fā)的SSD100型曳引式施工升降機(jī)為例進(jìn)行分析。該升降機(jī)選用鋼材的彈性模量EX=210GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7800kg/m3，井架主要鋼結(jié)構(gòu)件選用的截面尺寸如圖1所示。在ANSYS中建立的井架模型（取井架搭設(shè)高度12m，附著高度9m為例）如圖1所示，模型共有節(jié)點(diǎn)42個，單元91個。

2.井架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

2.1加載及求解

結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析主要用于仿真施工升降機(jī)井架的受載荷狀態(tài)，得出靜載荷作用下井架的應(yīng)力分布、滿載變形程度，從而分析各部件是否具有與額定載荷和工作條件相適應(yīng)的強(qiáng)度。在滿載的實(shí)際工況下，井架所承受的載荷除自重外，還有各種外加載荷，它通過天梁作用于井架頂部。根據(jù)圖1計(jì)算模型，用定義材料密度和加重力加速度的方式來模擬井架的自重，滿載載荷1000N分布在井架頂部對角節(jié)點(diǎn)上。完成加載約束、定義分析類型等前處理后，即可開始有限元求解。

2.2結(jié)果分析

滿載情況下施工升降機(jī)井架結(jié)構(gòu)位移云圖和應(yīng)力云圖。

由云圖分析可知，井架承載以Z向位移為主，且頂部4個節(jié)點(diǎn)的位移值最大，其最大位移為2.758mm（如圖2所示）；井架四根立柱為主要承載桿件，截面最大應(yīng)力為129.63MPa，Q235的許用應(yīng)力為235MPa，強(qiáng)度滿足要求（如圖3所示）。由有限元分析結(jié)果的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況得出的最大應(yīng)力和變形出現(xiàn)的位置與實(shí)際情況相符，說明該有限元分析求解結(jié)果是科學(xué)、可靠的，可為施工升降機(jī)井架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

１－井架立柱；２－水平桿；

３－水平桿；４－附著拉桿。

3.1模態(tài)分析基本理論

模態(tài)分析用于確定井架部件的振動特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，其分析結(jié)果可作為其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。振動不但可能造成升降機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，還會產(chǎn)生共振和噪聲，因此井架結(jié)構(gòu)振動特性的優(yōu)劣對整個升降機(jī)的性能有重要影響，必須對升降機(jī)井架進(jìn)行模態(tài)分析。

典型的無阻尼模態(tài)分析求解的基本方程是特征值問題：([K]-ω2[M]){φ}={0}

式中：[K]—剛度矩陣；[M]—質(zhì)量矩陣；ω— 振動固有頻率；{φ}—節(jié)點(diǎn)位移列陣

模態(tài)分析的實(shí)質(zhì)就是計(jì)算該特征方程的特征值ωi及其對應(yīng)的特征向量{φi}。

3.2加載及求解

在ANSYS中模態(tài)分析唯一有效的“載荷”是零位移約束，因此為了模擬實(shí)際情況把節(jié)點(diǎn)1、2、3、4 （見模型圖1）的自由度全部約束，用定義材料密度和加重力加速度的方式來模擬升降機(jī)井架的自重。采用Block Lanczos方法求解，它使用了一個稀疏矩陣求解器，其求解收斂速度與求解低階頻率時基本一樣快，特別適用于大型對稱特征值求解問題。低階固有頻率對系統(tǒng)的動力學(xué)相應(yīng)影響較大，而高階固有頻率影響較小，所以對其而言只需提取其低階固有頻率就能很好的反映系統(tǒng)動力特性。

3.3模態(tài)計(jì)算結(jié)果分析

1）當(dāng)系統(tǒng)的固有頻率與激勵頻率一致時，將會發(fā)生共振。表1中數(shù)據(jù)意味著當(dāng)外部激勵頻率接近表中數(shù)據(jù)時，會產(chǎn)生很高的動應(yīng)力，造成結(jié)構(gòu)的破壞或產(chǎn)生不允許的變形?？赏ㄟ^修改設(shè)計(jì)，改變整機(jī)振動出現(xiàn)的頻率

范圍，防止發(fā)生共振。

2）通過對前六階振型分析可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

井架結(jié)構(gòu)的一階振型是架身繞固定點(diǎn)左右搖擺振動；二階振型是架身繞固定點(diǎn)前后搖擺振動；三階振型是架身繞固定點(diǎn)在水平面內(nèi)扭轉(zhuǎn)振動；四階振型是架身左右彎曲振動；五階振型是架身前后彎曲振動；六階振型是架身在水平面內(nèi)彎扭組合振動。

4.結(jié)束語

本文在建立施工升降機(jī)井架結(jié)構(gòu)的有限元模型的基礎(chǔ)上，充分考慮了能代表井架結(jié)構(gòu)實(shí)際承載狀態(tài)的載荷分布，由有限元分析后處理得到的應(yīng)力和變形大小及分布情況不僅可為升降機(jī)井架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供參考，同時可作為升降機(jī)井架承載能力可靠性評估的研究基礎(chǔ)。 [科]

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