趙文濤，余峰，吳畏，郭俊材，王帥，肖克雅，陳芃吉

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基于ANSYS的門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性分析

趙文濤，余峰，吳畏，郭俊材，王帥，肖克雅，陳芃吉

（中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610213）

以某門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為例，利用有限元軟件ANSYS分析了其動態(tài)特性。通過分析得出如下結(jié)論：當(dāng)起重小車位于主梁跨中和懸臂端時，整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對應(yīng)的各階模態(tài)振型均表現(xiàn)一致，其中，第四階模態(tài)為整機(jī)結(jié)構(gòu)在垂直方向的振動，當(dāng)小車位于主梁跨中時，對應(yīng)的固有頻率值為3.033 Hz，即其動態(tài)性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。分析結(jié)果為該起重機(jī)動態(tài)性能的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

ANSYS；門式起重機(jī)；動態(tài)特性

門式起重機(jī)（以下簡稱門機(jī)）是起重運輸機(jī)械的一種，在水運港口、鐵路貨場、建設(shè)工地等場地有著廣泛的應(yīng)用，這類起重機(jī)有著共同的優(yōu)點，即較高的場地利用率、較大的作業(yè)范圍、較強的通用性等[1]。但是，這類起重機(jī)在運行時也有著比較明顯的缺點，即它的重要組成部分比如起升機(jī)構(gòu)、制動機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等在運動過程中，會給整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)造成一定程度的沖擊振動，進(jìn)而給司機(jī)人員的工作舒適性和效率帶來不利的影響，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂[2]。因此，在進(jìn)行門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計過程中，必須考察其動態(tài)特性的影響，判斷結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能參數(shù)是否滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。文獻(xiàn)[3]借助SolidWorks和ABAQUS軟件對某橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)特性分析，得出了該起重機(jī)的前六階固有頻率和振型，并通過諧響應(yīng)分析獲取了其頻率－響應(yīng)曲線。文獻(xiàn)[4]利用有限元軟件ANSYS對某門機(jī)的蒙皮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，并在后續(xù)分析過程中確定出了影響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性的關(guān)鍵頻率。文獻(xiàn)[5]利用動力學(xué)分析軟件ADAMS對某雙梁橋式起重機(jī)在起升過程中的動態(tài)特性進(jìn)行了分析，通過分析得到了該起重機(jī)在不同起升運動階段時各個零部件的頻率響應(yīng)、位移響應(yīng)和速度響應(yīng)。文獻(xiàn)[6]則是通過瞬態(tài)動力學(xué)分析法對某門機(jī)在起升過程中的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，得到該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和振動響應(yīng)隨時間的變化規(guī)律。本論文基于有限元理論，利用有限元軟件ANSYS，對某門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自振特性進(jìn)行了研究，獲取其固有頻率和振型等動態(tài)特性參數(shù)，分析結(jié)果為其動態(tài)性能的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

1 門機(jī)計算結(jié)構(gòu)簡圖及有限元模型

本論文分析的對象為某起重機(jī)廠設(shè)計生產(chǎn)的八字型支腿門機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 門機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

該門機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由不同厚度的鋼板材料通過焊接或鉚接制作而成，在利用有限元軟件對其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析時，可以選擇使用shell 63板殼單元來模擬。由于該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)零部件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了便于計算，提升計算效率，本文在建模時對該門機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡化，簡化原則為：對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性分析結(jié)果影響較小的零部件不予考慮或者將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理，這些零部件主要包括有：

（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)上用于安裝、固定、修飾用的附加零件，這些零件直接去掉；

（2）支腿上的梯子、主梁上的欄桿、花紋板、司機(jī)室等，忽略這些零部件的結(jié)構(gòu)形式，其質(zhì)量以mass 21單元的形式附加在有限元模型上；

（3）連接螺栓，零部件之間的焊接、鉚接等裝配結(jié)構(gòu)，這些零部件均看作剛性連接；

（4）起重小車運行軌道，這個零部件對該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體剛度會有一定程度的影響，為了盡量符合真實情況，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在建模過程中利用beam188單元來模擬該軌道，并將起重小車自身的重量和吊重的重量以mass 21單元的形式施加在小車車輪與鋼軌接觸的四個節(jié)點上。

在實體模型建成后，需對該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，為了獲得較高的計算精度，同時盡可能的節(jié)約計算時間，將該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要零部件采用映射方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其有限元模型如圖2所示。

在有限元建模過程中必須設(shè)置結(jié)構(gòu)的材料屬性參數(shù)，本文中計算的門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的材料參數(shù)如下：密度為7.85×10-6kg/mm3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

圖2 門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限元模型

2 門機(jī)動態(tài)特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析理論

本論文利用有限元軟件ANSYS開展八字型支腿門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性分析，利用ANSYS可以開展的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析內(nèi)容主要包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、沖擊分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析等。

模態(tài)分析也被稱為特征值提取技術(shù)，主要是為了獲得多自由度系統(tǒng)在自由振動狀態(tài)下的固有頻率及振型。

根據(jù)有限元理論，該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成多自由度運動系統(tǒng)，在考慮外載荷條件下的振動方程可以表述如下[7-8]：

一般而言，機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型應(yīng)為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做無阻尼自由振動時的頻率和振型，與外載荷無關(guān)[9]。因此，在對該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時，其金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)看作是不受外力作用的無阻尼自由振動系統(tǒng)，也就是說，此時，該系統(tǒng)所受外載荷和阻尼均為零，其固有頻率和振型只與其剛度和質(zhì)量有關(guān)，所以其無阻尼自由振動微分方程可以描述為[10]：

通過求解式（2）可得到該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率及振型。

2.2 門機(jī)結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析結(jié)果

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有動態(tài)特性參數(shù)，該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的每一階模態(tài)都有其相對應(yīng)的固有頻率和振型。理論上，由于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是連續(xù)結(jié)構(gòu)體，且質(zhì)量和彈性分布均勻，所以，其模態(tài)階數(shù)應(yīng)該是無窮多個，但是，文獻(xiàn)[11]研究表明只有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的低階模態(tài)對其固有頻率和振型等動態(tài)特性參數(shù)起主要決定作用。對于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，考慮到實際情況下，外力載荷或激勵頻率與其低階固有頻率接近或重合的概率較高，由此引發(fā)的共振可能性也相對較大，因此，本文只研究該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階模態(tài)參數(shù)。

門機(jī)在實際運行過程中，起重小車在主梁上做往復(fù)直線運動，隨著運動的進(jìn)行，整機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量分布會出現(xiàn)一定程度的變化，從而導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性參數(shù)也會隨之變化。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[12]，在進(jìn)行門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計時，主要考察起重小車運行至主梁跨中節(jié)點及主梁懸臂端時，整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性，故本文也只分析起重小車位于上述位置時的固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)。

利用有限元軟件ANSYS，在建模完成后，根據(jù)Lanczos法[13]求出該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率和對應(yīng)振型。通過計算，該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階固有頻率值如表1所示，圖3給出了當(dāng)起重小車運行至主梁跨中時，該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階模態(tài)振型圖，當(dāng)起重小車運行至主梁懸臂端時，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階振型與小車位于主梁跨中時的振型表現(xiàn)一致，此時門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階振型如圖4所示。

表1 門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各階固有頻率

圖3 起重小車位于主梁跨中時門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各階振型圖

圖4 起重小車位于主梁懸臂端時門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各階振型圖

從圖3和圖4給出的前六階模態(tài)振型圖可以看出，當(dāng)起重小車運行至主梁跨中和懸臂端時：第一階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿水平橫向方向的振動；第二階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)在水平方向的彎曲振動；第三階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿水平縱向方向的振動；第四階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿垂直方向的振動；第五階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)在水平方向的扭轉(zhuǎn)振動；第六階模態(tài)振型均為主梁的彎曲振動。另外，從表1和圖3、4的結(jié)果可以看出，隨著階數(shù)的增加，該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率也會隨之增加。按照國家標(biāo)準(zhǔn)[12]對門機(jī)動態(tài)特性的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)起重小車運行至主梁跨中時，其垂直方向滿載固有頻率應(yīng)大于或等于2 Hz。從該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)分析結(jié)果可以看出，其第四階模態(tài)振型為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿垂直方向的振動振型，對應(yīng)的固有頻率值為3.033 Hz，大于國家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的2 Hz，因此，說明該門機(jī)的動態(tài)剛性滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是也有一定的優(yōu)化設(shè)計空間，可以在后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)過程中對其進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。

3 結(jié)束語

本論文基于有限元法，利用大型有限元軟件ANSYS對某門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和對應(yīng)振型等動態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行了分析，通過分析得出如下結(jié)論：當(dāng)起重小車運行至主梁跨中和懸臂端時，該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對應(yīng)的前六階模態(tài)振型均表現(xiàn)一致。其中，第四階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿垂直方向的振動，當(dāng)起重小車運行至主梁跨中時，對應(yīng)的固有頻率值為3.033 Hz，說明其動態(tài)性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。分析結(jié)果為該門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)性能的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考，也為其他同類結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性的分析及動態(tài)性能的優(yōu)化提供了思路。

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Dynamic Characteristic Analysis of Gantry Crane Based on ANSYS

ZHAO Wentao，YU Feng，WU Wei，GUO Juncai，WANG Shuai，XIAO Keya，CHEN Pengji

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China)

Taking a gantry crane as an example, its dynamic characteristic was analyzed based on ANSYS in this paper. It is concluded that mode shapes of the crane are same when the trolley is located in the middle of the girder and the cantilever end, among them, the fourth order mode is the vibration of structure in the vertical direction, the corresponding natural frequency value is 3.033Hz when the trolley is located in the middle of the girder, therefore, the crane’s dynamic characteristic meets the requirements of the national standard. The results provide basis for optimization of the crane’s dynamic characteristic.

ANSYS；gantry crane；dynamic characteristic

O242.21

A

1006－0316 (2018) 04－0027－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.007

2017－12－12

趙文濤（1974－），男，河南安陽人，本科，工程師，主要研究方向為機(jī)械設(shè)計制造及其自動化。