衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 周建鋒 張新星

基于ANSYS的大型全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 周建鋒 張新星

利用模態(tài)分析確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)振型，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，避免在動(dòng)力載荷作用下發(fā)生共振現(xiàn)象，提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)性能。本文通過與類似起重機(jī)的模態(tài)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，前十階模態(tài)的振型中很大比例是在水平面內(nèi)彎振，結(jié)果與實(shí)際情況一致。

ANSYS；全回轉(zhuǎn)架梁；模態(tài)分析

1 引言

對(duì)于大型機(jī)械的結(jié)構(gòu)而言，利用實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法(EMA)求解固有特性需要進(jìn)行大量試驗(yàn)，時(shí)間與成本太高。但是，在有實(shí)驗(yàn)條件的情況下，計(jì)算模態(tài)分析可以在機(jī)械制后執(zhí)行。本文基于ANSYS對(duì)全回轉(zhuǎn)架梁起重機(jī)有限元模型進(jìn)行計(jì)算模態(tài)分析，了解到在機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)避開外激振力的頻率，可以避免發(fā)生共振，從而減小振動(dòng)幅值。將計(jì)算和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析相結(jié)合，會(huì)取得更好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 模態(tài)分析理論

2.1 振動(dòng)基本方程的建立

根據(jù)各節(jié)點(diǎn)處的位移協(xié)調(diào)條件和平衡條件，建立剛度方程：

2.2 固有頻率和振型分析

矩陣[K]和矩陣[M]都為n階方陣，n是自由度數(shù)目，ω 是固有頻率，根據(jù)式（6）確定各節(jié)點(diǎn)振幅 ｛X0｝，即結(jié)構(gòu)的振型。

2.3 約束處理

將四個(gè)滑靴底部對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)與位移固定，釋放這些節(jié)點(diǎn)ROTx，ROTy，ROTz方向自由度。人字架底部與轉(zhuǎn)臺(tái)上部、臂架底部與轉(zhuǎn)臺(tái)前部之間均可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，故釋放該絞點(diǎn)處的ROTz自由度。

3 模態(tài)分析計(jì)算

本文在求解模態(tài)過程中發(fā)現(xiàn)，影響機(jī)構(gòu)性能的頻率集中在前幾階。因此，選取前10階有效的固有頻率分析，分析結(jié)果見表1所示。

表1 前10階模態(tài)分析數(shù)據(jù)

表1數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)外部激擾的頻率接近表中數(shù)值且其振動(dòng)方向與對(duì)應(yīng)振型吻合時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生較大振幅及變形，并且機(jī)械結(jié)構(gòu)容易受到破壞。

4 結(jié)論

由于條件所限，本模態(tài)分析沒有經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，但是通過與類似起重機(jī)的模態(tài)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化來(lái)改變整機(jī)在該振型上的頻率范圍從而降低振幅，也要在設(shè)計(jì)時(shí)仍按激勵(lì)頻率避開結(jié)構(gòu)固有頻率理念來(lái)防止發(fā)生共振。本次模態(tài)分析的結(jié)果基本符合實(shí)際振動(dòng)情況。

周建峰，1977年9月出生，男，漢族，浙江龍游人，工程師，主要從事CAD/CAM、農(nóng)業(yè)機(jī)械、光機(jī)電一體化技術(shù)研究?；痦?xiàng)目：衢州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013Y017)資助。