汪陽

摘 要：起重機(jī)車架是起重機(jī)中的關(guān)鍵部件，對其進(jìn)行模態(tài)分析，防止與路面產(chǎn)生共振，為車架的動態(tài)分析奠定基礎(chǔ)。通過結(jié)構(gòu)的固有頻率可判斷結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，由于實際工況和結(jié)構(gòu)中是存在各種約束和力的，故應(yīng)建立結(jié)構(gòu)的基本模態(tài)方程和約束模態(tài)方程。ANSYS已廣泛應(yīng)用于機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計中，其內(nèi)部集成有模態(tài)分析模塊，并可與結(jié)構(gòu)有限元分析聯(lián)合進(jìn)行約束和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，這為通過計算機(jī)進(jìn)行起重機(jī)車架約束模態(tài)分析提供了可能。對某種起重機(jī)車架進(jìn)行約束模態(tài)分析，得到了車架的前六階模態(tài)，仿真結(jié)果表明車架基本不會發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)合理。

關(guān)鍵詞：起重機(jī);車架;ANSYS;模態(tài)分析

中圖分類號：U463.32? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-144-03

Application of ANSYS Constrained Modal Analysis to Crane Frame

Wang Yang

（ Anhui Liugong Crane Co.， Ltd. Anhui BengBu 233010 ）

Abstract： The crane frame is the key component of the crane. The modal analysis is carried out to prevent resonance with the road surface and lay the foundation for the dynamic analysis of the frame. The dynamic characteristics of the structure can be judged by the natural frequency of the structure. Because there are various constraints and forces in the actual working condition and structure， the basic modal equation and constrained modal equation of the structure should be established. ANSYS has been widely used in the design of mechanical mechanism， and its internal integration of modal analysis module， and can be combined with the finite element analysis of structure to carry out constraint and prestressed modal analysis， which provides the possibility for the constraint modal analysis of crane frame by computer. The first six modes of a crane frame are obtained by the constrained modal analysis. The simulation results show that the frame basically does not resonate and the structure is reasonable.

Keywords： Crane; Frame; ANSYS; Modal analysis

CLC NO.： U463.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-144-03

1 引言

起重機(jī)能夠在一定的使用范圍內(nèi)提升、運(yùn)輸、裝卸重物[1，2]。起重機(jī)的結(jié)構(gòu)基本由起升機(jī)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)構(gòu)、變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成[3，4]。其吊臂、轉(zhuǎn)臺和車架占據(jù)起重機(jī)大部分重量，因此，對車架的研究十分重要。振動模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有特性，通過模態(tài)分析可預(yù)先了解結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)的振動響應(yīng)，為機(jī)械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計和故障診斷提供參考依據(jù)[5]。ANSYS軟件將結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)、電化學(xué)等學(xué)科融為一體，以有限單元法（FEM）為基礎(chǔ)，組成一款大型通用有限元分析軟件，提供了建模和網(wǎng)格劃分功能，用戶可根據(jù)需要建立所需的有限元模型，或使用第三方三維建模軟件進(jìn)行建模，如SolidWorks、UG、CATIA等，將建立好模型后導(dǎo)入ANSYS即可。

ANSYS內(nèi)部集成有模態(tài)分析模塊，該模塊支持線體、表面體、實體的建模和分析，在模型設(shè)置中必須定義材料的楊氏彈性模量、密度和泊松比。模態(tài)分析模塊可與結(jié)構(gòu)靜力分析模塊進(jìn)行聯(lián)接，以進(jìn)行約束和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

2 ANSSY模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析基本理論

模態(tài)振型、阻尼和頻率是機(jī)械結(jié)構(gòu)的特征，通過這些結(jié)構(gòu)特征對結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述即為模態(tài)分析[6]。機(jī)械結(jié)構(gòu)的每一個模態(tài)可由數(shù)學(xué)模型計算、仿真或物理試驗方法獲得。其中，數(shù)學(xué)模型計算需對模型進(jìn)行許多簡化，模型的許多結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)將被忽略，這會降低計算的準(zhǔn)確性。物理試驗方法能夠較準(zhǔn)確地得到結(jié)構(gòu)的固有特性，但物理試驗的成本較高，且需要更多的試驗時間。故采用計算機(jī)輔助分析方法對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析是一種經(jīng)濟(jì)高效的分析手段。振動頻率和模態(tài)振型是模態(tài)分析方程的基本參數(shù)，模態(tài)分析基本方程為：

（1）

式中，[K]為剛度矩陣;[M]為質(zhì)量矩陣;ωi為第i階振動頻率;?i為第i階模態(tài)振型。

在實際工況中，結(jié)構(gòu)通常存在各種約束邊界，如旋轉(zhuǎn)幅約束、固定約束等，同時又存在各種載荷邊界，如定常力、定常壓強(qiáng)等。在這些邊界條件的作用下，可能會影響結(jié)構(gòu)的固有頻率，故應(yīng)在模態(tài)分析的基本方程中加入應(yīng)力剛度項：

（2）

式中，[S]為應(yīng)力剛度矩陣。

2.2 ANSYS模態(tài)分析模塊

ANSYS內(nèi)部集成有模態(tài)分析模塊，支持線體、表面體、實體的建模和分析，可與結(jié)構(gòu)靜力分析模塊聯(lián)接進(jìn)行約束和預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。應(yīng)用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的基本步驟如圖1所示。

在ANSYS Workbench中可選擇找到模態(tài)分析模塊并拖拽啟動。啟動模態(tài)分析模塊后，可進(jìn)一步選擇需要進(jìn)行聯(lián)接的模塊，如可聯(lián)接幾何模型模塊、靜力結(jié)構(gòu)有限元分析模塊、熱分析模塊等。模態(tài)分析的幾何模型可以通過ANSYS自帶的建模模塊進(jìn)行建模，也可通過其三方軟件進(jìn)行建模后導(dǎo)入ANSYS。若模態(tài)分析模塊與幾何模型模塊進(jìn)行了聯(lián)接，則幾何模型自動導(dǎo)入模態(tài)分析模塊，同理，若與靜力結(jié)構(gòu)有限元分析模塊聯(lián)接，將于其共同使用同一幾何模型。ANSYS提供了材料屬性設(shè)置庫，用戶可自定義材料屬性，對于模態(tài)分析來說，材料屬性中必須設(shè)置楊氏彈性模量、材料密度和泊松比。材料定義好后即可進(jìn)入模型處理模塊，將材料配置到對應(yīng)零件，如果需要，可進(jìn)行接觸的定義，接觸能夠更好地模擬實際物理模型，但定義接觸會增大計算的時間。用戶可根據(jù)模型特點設(shè)定不同的網(wǎng)格控制類型，如大小網(wǎng)格控制、膨脹層網(wǎng)格控制等。在求解前可設(shè)置求解階數(shù)，默認(rèn)求解前六階模態(tài)固有頻率及振型，求解后即可查看各階的模態(tài)頻率以及對應(yīng)的振型。

3 起重機(jī)車架模型及模態(tài)分析

3.1 起重機(jī)車架模型

某種起重機(jī)車架模型如圖2所示。模型在Pro/E中建立，為實體三維模型。在對計算結(jié)果影響不大的情況下，可對模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，如非承重?gòu)件的圓角簡化為直角;固定支腿與活動支腿固結(jié);部分活動空間非常小的連接件進(jìn)行固結(jié)等。在模型中定義結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)約束、移動約束等，為約束模態(tài)分析做準(zhǔn)備。

3.2 模態(tài)仿真結(jié)果分析

取模態(tài)仿真結(jié)果的結(jié)果的前六階固有頻率分別為：65.4 Hz、71.4 Hz、78.8 Hz、85.2 Hz、98.5 Hz、107.2 Hz。振型較好。車架在工作時主要受路面激勵、發(fā)動機(jī)激勵、傳動軸激勵的影響。車架的第一階固有頻率為65.4 Hz，大于平坦路面的固有頻率（<20 Hz），因此該車架基本不會與路面發(fā)生共振，其結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

4 結(jié)束語

起重機(jī)車架是起重機(jī)中的關(guān)鍵部件，對其進(jìn)行模態(tài)分析是進(jìn)一步研究其動態(tài)性能，防止共振產(chǎn)生的必要步驟。實際工程中常使用約束模態(tài)分析方程進(jìn)行分析，在ANSYS中集成有模態(tài)分析模塊，將車架模型導(dǎo)入ANSYS中，取前六階約束模態(tài)固有頻率，結(jié)果表明車架基本不會與地面發(fā)生共振。

參考文獻(xiàn)

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