姜天明 焦猛

摘要：長臂架構(gòu)造運作階段因振動引起的動態(tài)應(yīng)力較大，可能對鋼結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成損傷。本文將云梯消防車臂架設(shè)為研究對象，基于有限元軟件ANSYS建設(shè)完善化的臂架動態(tài)分析模型，分析與測算其模態(tài)，比較分析臂架模態(tài)試驗結(jié)果。

關(guān)鍵詞：長臂架;試驗?zāi)B(tài);振動;有限元分析

引言

云梯運動過程中形成的沖擊與振動情況是造成鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)損傷的主要因素之一，云梯臂架是云梯的主要承力構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)強度與剛度和其運作過程可靠性、安穩(wěn)性存在緊密的相關(guān)性。捕獲結(jié)構(gòu)自體的剛度屬性即結(jié)構(gòu)的固有頻率與振動類型，有針對性的使用調(diào)整手段，能使長臂架運作階段規(guī)避由共振因素引發(fā)的破壞。臂架為云梯消防車的重要構(gòu)成，其持有的力學屬性關(guān)系著消防車的消防和救援能力，本文基于ANSYS軟件建設(shè)臂架動態(tài)模型，做出相應(yīng)的分析與測算。

一、建設(shè)與簡化有限元模型

為精確測算出振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，建設(shè)一個能真切呈現(xiàn)出系統(tǒng)現(xiàn)實狀況的動力學模型及相配套的數(shù)學模型。

結(jié)合云梯臂架的構(gòu)造特征，采用ANSYS軟件建設(shè)云梯臂架梁殼模型，在具體建模階段，應(yīng)落實如下幾點內(nèi)容：

（1）各節(jié)梯架模型規(guī)格和裝配方位和現(xiàn)實尺寸方位等同;

（2）利用集中質(zhì)量點替代鋼絲繩、滑輪座等對結(jié)果僅形成輕微影響的結(jié)構(gòu);

（3）利用兩仰伏油缸將云梯臂架支撐于轉(zhuǎn)臺上方，因臂架底架與轉(zhuǎn)臺剛度偏大，則認為于底部可以承載彎矩，假設(shè)其是固接支座;

（4）工作斗始終要和地面成角90°，故而可以把其簡化成一個集中力和彎矩。

動態(tài)分析階段，因結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度分布情況是影響固有頻率和主振型的主要因素，故而其要求全結(jié)構(gòu)最好應(yīng)用勻稱的網(wǎng)格形式。模型的規(guī)模信息如下：節(jié)點16404個、單元9826個（Beam188、she1163、mass2l單元依次為7870、1948、10個）。

二、測算模態(tài)

固有頻率和振型向量均是表示振動系統(tǒng)特性的重要物理指標，偏低的、大量的固有頻率級與之相對應(yīng)的振型向量對其動態(tài)響應(yīng)做出較高貢獻，因此在專研系統(tǒng)響應(yīng)時僅需了解少部分的固有頻率與振型向量。采用ANSYS求解器，解讀臂架有限元模型的模態(tài)，獲得梯架結(jié)構(gòu)前六階固有頻率與振型，1、2、3、4、5、6階梁殼模型測算頻率分別為0.687Hz、1.058Hz、1.704Hz、2.738Hz、4.185Hz、5.215Hz，其中一階振型可以做出如下闡述：一節(jié)點上下彎曲，振型圖見圖1[1]。

三、模態(tài)的試驗研究

激振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、信號檢測與分析系統(tǒng)是試驗系統(tǒng)的重要構(gòu)成。其中，激振系統(tǒng)的構(gòu)成和模態(tài)試驗研究中激勵信號發(fā)出情況密切相關(guān)，激勵信號的作用以調(diào)控能量輸入情況為主，驅(qū)動試驗結(jié)構(gòu)內(nèi)純模態(tài)的產(chǎn)出過程，但需要輔助使用數(shù)套激振器進行激勵，要數(shù)次調(diào)試輸入力大小及相位，需耗用較多的人力、時間成本，且裝置購置成本較高。激勵源產(chǎn)出的脈沖信號即為瞬態(tài)激勵信號，其作用一捕獲脈沖響應(yīng)情況為主，有快速、便捷的優(yōu)勢，對被檢構(gòu)件質(zhì)量與剛度未提出嚴格要求，在現(xiàn)場試驗情景中有較高的適用性，故而本試驗中擬定選用捶擊激振法進行。

結(jié)合信號檢測系統(tǒng)的購徐恒、運作原理，試驗研究中選用集成壓電式傳感器，基于粘結(jié)形式予以固定。

試驗極端長臂架朝向后方水平整體伸展，基于捶擊法原理檢測振動模態(tài)參數(shù)，圖2是現(xiàn)場試驗圖[2]。

結(jié)合采樣定律，要求采樣頻率一定要高于被檢測固有頻率的2倍。已知有限元分析時云梯臂架前六階固有頻率峰值為5.215Hz，設(shè)定試驗階段采樣頻率為25.6Hz，采樣頻率對應(yīng)的有效帶寬12.5Hz，分辨度為0.1Hz。在檢測二輸入、多輸出對應(yīng)的頻響函數(shù)時，基于自功率、互功率圖譜測算出響應(yīng)函數(shù)，檢測完六個位點后計算平均值，在H1估計法的輔助下測求出頻響函數(shù)的最小二乘相近值。

依照ANSYS模態(tài)分析結(jié)果，立足于現(xiàn)場試驗條件及傳感器的所屬類別與實際配置數(shù)目，構(gòu)建梯架模態(tài)試驗的幾何模型，長臂架上共計設(shè)置34個檢測位點，對稱部署于長臂架下弦管兩個側(cè)端（見圖3）[3]。觀測云梯的第一階振型，將其定義成一階彎曲模態(tài)，在上下方向進行振動，結(jié)合如上情況將傳感器裝設(shè)于豎直向，檢測豎直向響應(yīng)產(chǎn)出情況即可。

在模態(tài)試驗階段中，操作者要重點關(guān)注頻響、相干函數(shù)，當頻響函數(shù)趨于穩(wěn)態(tài)，相干性較優(yōu)良時，就可以終止收集動作。利用采獲到的數(shù)據(jù)測算出云梯消防車輛長臂架的模態(tài)指標，具體是測得前四階的頻率、阻尼以及振型，

結(jié)束語：

本文通過建設(shè)云梯臂架ANSYS有限元模型并對其做出簡化處理，對模態(tài)加以分析，并和試驗?zāi)B(tài)分析中獲得的六階頻率數(shù)值及振型做對比分析，以期能為長臂架結(jié)構(gòu)完善、優(yōu)化提供可靠參照。

分析表1中數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)模擬測算出的結(jié)果和試驗結(jié)果誤差基本在10.0%內(nèi)，振型出現(xiàn)的次序大體相同，因模態(tài)試驗階段存在誤差，故而理論測算出的結(jié)果可信度較高，提示本文建設(shè)的有限元模型精確度較高、簡潔性較好、適用性較強，有一定推廣價值。

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