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        某儲存棚鋼構(gòu)動態(tài)特性分析

        2021-07-15 01:46:12左芳君劉平平李剛俊張慧潔
        機(jī)械研究與應(yīng)用 2021年3期
        關(guān)鍵詞:六階鋼構(gòu)振型

        左芳君,劉平平,李剛俊,張慧潔,劉 磊

        (成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院,四川 成都 611730)

        0 引 言

        儲存棚是工地上用于儲存物資的鋼結(jié)構(gòu),主要由型鋼焊接或者鉚接而成,在使用時(shí),有可能會遭遇由地震、風(fēng)等引起的動態(tài)激勵(lì)載荷,因此,在設(shè)計(jì)安裝儲存棚鋼構(gòu)時(shí),有必要針對其動態(tài)特性展開分析。開展結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析的方法主要由實(shí)驗(yàn)法和有限元仿真法兩大類,其中,有限元仿真法具有方便、實(shí)用、有效等優(yōu)點(diǎn),在包括加工中心整機(jī)及零部件[1-2]、造紙裝備零部件[3]、接箍管螺紋機(jī)床[4]、齒輪箱[5]、噴漿臺車機(jī)械臂[6]、起重機(jī)[7-8]、槽輪機(jī)構(gòu)[9]等結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。筆者選擇利用有限元軟件ANSYS對某工地使用的物資儲存棚鋼構(gòu)進(jìn)行動態(tài)特性分析,通過分析獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等動態(tài)特性參數(shù)。

        1 儲存棚鋼構(gòu)有限元模型

        文中的分析對象為某工地使用的物資儲存棚鋼構(gòu),該鋼構(gòu)安裝于地面上。該鋼構(gòu)主體結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼,其材料特性參數(shù)如表1所列。分析前,利用有限元軟件建立其有限元模型,該鋼構(gòu)主體結(jié)構(gòu)為細(xì)長的型鋼和支撐鐵塊,選擇使用梁單元beam188來模擬型鋼,支撐鐵塊則用實(shí)體單元solid45來模擬,該鋼構(gòu)網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示,整個(gè)模型共有4 210個(gè)單元,5 436個(gè)節(jié)點(diǎn),其中梁單元160個(gè),實(shí)體單元4 050個(gè)。

        圖1 儲存棚鋼構(gòu)有 圖2 約束后的儲存棚鋼構(gòu)有限元模型 限元模型(模態(tài)分析)

        表1 Q235鋼材料特性參數(shù)

        2 儲存棚鋼構(gòu)模態(tài)分析

        在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域,模態(tài)分析是開展其他包括諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析在內(nèi)的其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ),儲存棚鋼構(gòu)在約束狀態(tài)下的固有頻率和振型可以通過模態(tài)分析來獲得。

        利用有限元軟件ANSYS的蘭斯索斯法,對該儲存棚鋼構(gòu)進(jìn)行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析,通過分析確定該鋼構(gòu)在約束狀態(tài)下的固有頻率和振型,約束后的模型如圖2所示。一般而言,對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性影響較大的是低階模態(tài),本文在分析時(shí)只提取該鋼構(gòu)的前六階模態(tài)。該鋼構(gòu)的前六階固有頻率值如表2所列,對應(yīng)的各階振型如圖3所示。

        表2 儲存棚鋼構(gòu)固有頻率/Hz

        從圖3的模態(tài)振型圖可以看出,該儲存棚鋼構(gòu)的第一階模態(tài)主要表現(xiàn)為沿Z方向的擺動振型,第二階模態(tài)主要表現(xiàn)為水平面內(nèi)的一階彎曲振型,第三階模態(tài)主要表現(xiàn)為水平面內(nèi)的二階彎曲振型,第四階模態(tài)主要表現(xiàn)為沿X方向的擺動振型,第五階模態(tài)主要表現(xiàn)為左部沿Z方向的擺動振型,第六階模態(tài)主要表現(xiàn)為整體在水平面內(nèi)沿X方向的一階彎曲振型振型。

        圖3 儲存棚鋼構(gòu)模態(tài)振型圖

        3 儲存棚鋼構(gòu)諧響應(yīng)分析

        諧響應(yīng)分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)載荷作用下的動態(tài)響應(yīng),通過對儲存棚鋼構(gòu)進(jìn)行諧響應(yīng)分析來獲取對該鋼構(gòu)動態(tài)特性影響最大的模態(tài)。分析時(shí),將外界激勵(lì)頻率范圍設(shè)置為0~11.9 Hz,分成119等份,載荷類型設(shè)置為階躍載荷,即分析時(shí)保持載荷大小不變。加載約束后的模型如圖4所示。分析結(jié)束后,提取鋼構(gòu)頂部兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處沿X方向和Z方向的位移幅值響應(yīng),如圖5所示。

        圖4 加載約束后的儲存棚鋼構(gòu)有限元模型(諧響應(yīng)分析)

        圖5 鋼構(gòu)頂部節(jié)點(diǎn)位移幅值響應(yīng)

        從圖5可以看出,上述兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沿X方向的位移幅值響應(yīng)較大值均出現(xiàn)在激勵(lì)載荷頻率為8.1 Hz和11.9 Hz處,這兩個(gè)頻率值與鋼構(gòu)的第五和第六階模態(tài)頻率值接近。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)沿Z方向的位移幅值響應(yīng)較大值均出現(xiàn)在激勵(lì)載荷頻率為2.6 Hz和8.1 Hz處,這兩個(gè)頻率值與鋼構(gòu)的第一和第五階模態(tài)頻率值接近。因此,可以認(rèn)為該鋼構(gòu)的第一、五和六階模態(tài)對其自身動態(tài)特性影響較大。

        4 結(jié) 論

        以某物資儲存棚鋼結(jié)構(gòu)為例,利用有限元軟件對其進(jìn)行模態(tài)及諧響應(yīng)分析,通過分析獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型等動態(tài)特性參數(shù),通過分析計(jì)算得到如下主要結(jié)論。

        (1) 通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)該儲存棚鋼結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下的前六階固有頻率值為:2.546 9、3.775 2、5.225 8、6.207 1、8.117 9、11.883 Hz,其對應(yīng)的各階振型具有如下主要特點(diǎn):鋼構(gòu)的第一、四、五階振型為結(jié)構(gòu)整體或局部的擺動振型,第二、三、六階振型為結(jié)構(gòu)的彎曲振型。

        (2) 通過諧響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)該儲存棚鋼結(jié)構(gòu)的第一、五、六階模態(tài)對其自身動態(tài)特性影響較大,在考慮該鋼構(gòu)的動態(tài)特性優(yōu)化時(shí)需重點(diǎn)考慮上述三階模態(tài)的影響。

        文中的分析結(jié)果對該儲存棚鋼構(gòu)的動力學(xué)優(yōu)化提供了理論依據(jù),也為其他同類結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析提供了參考。

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