李文豪

摘 ?要：利用有限元法，以FP6010平頭塔機為研究對象，分析了其動態(tài)特性。通過分析得出以下結(jié)論：塔機的前六階的固有頻率值分別為：0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515;各階振型表現(xiàn)為：第一階振型反映了塔機繞塔身在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動，第二階振型反映了塔機繞塔身根部固定點前后的彎曲振動，第三階振型反映了塔機繞固定點左右擺動，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內(nèi)的彎曲振動，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動。分析結(jié)果為該起重機動態(tài)性能的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，為其他同類結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：有限元法;平頭塔機;動態(tài)特性;固有頻率;振型

0引言

塔機是一種經(jīng)常啟動、制動和具有復雜耦合運動的建筑機械。工作時各機構(gòu)頻繁地起動或制動引起強烈的振動和沖擊，并產(chǎn)生持續(xù)時間較長的衰減振動，這是塔機結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。近年來，隨著塔式起重機起升高度和工作效率的不斷提高，塔式起重機的振動問題也越來越突出。

1塔機有限元模型的建立

為了使建立的塔機結(jié)構(gòu)動態(tài)分析模型更加合理準確，建模時須進行必要的簡化處理：①回轉(zhuǎn)支座相對塔機而言幾何尺寸小、剛度大、質(zhì)量集中且不易失穩(wěn)，可采用梁單元進行等效處理，減少塔機整體分析時的單元種類，避免了具有不同節(jié)點自由度的梁單元和板殼單元的連接問題，以便進行后處理分析;②塔身底部結(jié)構(gòu)剛度大，與地腳螺栓相連，約束在底部4個節(jié)點的所有自由度;起重臂、平衡臂與回轉(zhuǎn)節(jié)連接處及拉桿與起重臂、平衡臂、塔頂連接處可視為鉸支座，采用耦合處理，僅釋放繞其銷軸轉(zhuǎn)動自由度，以反映其真實連接情況。

塔機部分桿件的材料選用Q235鋼材，即彈性模量E=201GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3，其他桿件材料選用Q345的鋼材，即彈性模量E=210GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3。由于塔機大多數(shù)桿件主要承受軸向力外還承受如彎矩、扭矩、剪切等內(nèi)力，為提高建模的準確性，選用了考慮拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的空間梁單元Beam188進行建模。平衡臂及起重臂拉桿選擇空間桿單元Link180單元模擬即可滿足分析要求。Link180是2節(jié)點3自由度的軸向拉壓三維桿單元，不考慮桿件的彎曲及扭轉(zhuǎn)變形，具有塑性、蠕變、大變形等多種特性。根據(jù)選擇的單元類型及定義的參數(shù)，采用命令流和GUI相結(jié)合的建模方法建立如圖1所示的塔機結(jié)構(gòu)有限元模型，該模型由5845個單元和4922個節(jié)點組成。

2模態(tài)分析

ANSYS的模態(tài)分析是一線性分析，任何非線性特性（如塑性和接觸單元）即使定義了也將忽略?？蛇M行有預應力模態(tài)分析、大變形靜力分析后有預應力模態(tài)分析、循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、有預應力的循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、無阻尼和有阻尼結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。模態(tài)分析中模態(tài)的提取方法有七種，即分塊蘭索斯法、子空間迭代法、縮減法或凝聚法、PowerDynamics法、非對稱法、阻尼法、QR阻尼法，缺省時采用分塊蘭索斯法。塔機的前六階固有頻率為：（單位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515。

從模態(tài)振型圖可以看出塔機的第一階振型反映了塔機繞塔身在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動，第二階振型反映了塔機繞塔身根部固定點前后的彎曲振動，第三階振型反映了塔機繞固定點左右擺動，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內(nèi)的彎曲振動，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動。

3結(jié)論

基于有限元法，利用大型有限元軟件ANSYS對FP6010平頭塔機的動態(tài)特性進行了分析，通過分析得出如下結(jié)論：

塔機的前六階固有頻率為：（單位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515各階固有頻率都較低，且相差不大。

塔機的各階振型表現(xiàn)為：第一階振型反映了塔機繞塔身在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動，第二階振型反映了塔機繞塔身根部固定點前后的彎曲振動，第三階振型反映了塔機繞固定點左右擺動，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內(nèi)的彎曲振動，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動。

參考文獻

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