桁架門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)特性分析

文廣 劉平平 左芳君 趙雪芹 蘇睿

摘要：以某桁架門式起重機(jī)為研究對象，利用有限元軟件ANSYS對其金屬結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。通過靜態(tài)分析得出，該門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷作用下的最大拉應(yīng)力發(fā)生在右支腿上與主梁結(jié)合面處，最大壓應(yīng)力發(fā)生在主梁跨中部位，上述應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)符合要求;通過模態(tài)分析得出，該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在非工作狀態(tài)下的前6階模態(tài)表現(xiàn)如下：第1及第2階模態(tài)主要表現(xiàn)為整機(jī)結(jié)構(gòu)的擺動(dòng)振型，第3、4階模態(tài)主要表現(xiàn)為左、右支腿的擺動(dòng)振型，第5、6階模態(tài)主要表現(xiàn)為主梁的彎曲振型;通過諧響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，第5階模態(tài)是對結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響最大的模態(tài)。研究結(jié)果為該門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：桁架門式起重機(jī);有限元;靜態(tài)特性;動(dòng)態(tài)特性;模態(tài)分析;諧響應(yīng)分析

中圖分類號：TH21文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383（2018）04-0001-05

門式起重機(jī)作為起重機(jī)的一種重要結(jié)構(gòu)形式，在港口、建筑工地、物流貨場等區(qū)域得到了廣泛的使用，是使用量最大的起重運(yùn)輸機(jī)械之一[1-2]。金屬結(jié)構(gòu)是其主要的承載部件，由于門式起重機(jī)經(jīng)常工作于惡劣的環(huán)境，長期承受周期性的大沖擊載荷，為了避免其結(jié)構(gòu)失效，在設(shè)計(jì)時(shí)有必要對其包括靜、動(dòng)態(tài)特性在內(nèi)的安全性能進(jìn)行研究[3]。傳統(tǒng)的起重機(jī)設(shè)計(jì)方法主要依靠經(jīng)驗(yàn)和類比，采用這些方法設(shè)計(jì)出的起重機(jī)往往比較笨重[4]，且設(shè)計(jì)過程較為繁復(fù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以有限元法為代表的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法已經(jīng)在起重機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用，并取得了良好效果。郭俊材等[5]利用有限元軟件，在模態(tài)分析基礎(chǔ)上，研究了某L型門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)對其動(dòng)態(tài)特性的影響，通過研究確定了靈敏度較大的參數(shù)。任德斌等[6]基于有限元法對某橋式起重機(jī)的主梁進(jìn)行了分析，考察了主梁的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。馮立霞等[7]以雙梁橋式起重機(jī)橋架為研究對象，利用有限元軟件對其進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，分析結(jié)果反映了結(jié)構(gòu)的固有特性和頻譜特性。大量的實(shí)例證明了有限元法在起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的有效性，本文以某桁架門式起重機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)為研究對象，利用有限元軟件ANSYS，對其靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行全面的分析，分析結(jié)果可為該結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1材料特性參數(shù)及有限元模型

本文研究的桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)所用材料為Q235鋼，其材料特性參數(shù)如下：材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=21×1011 Pa，泊松比μ=03，屈服強(qiáng)度為235 MPa，分析時(shí)，取安全系數(shù)134，則該材料的許用應(yīng)力為175 MPa。該門式起重機(jī)的主要性能參數(shù)為：起升速度為105 m/min，額定起重量為52 t。

利用有限元軟件ANSYS對其建模，整機(jī)模型分別采用shell63、link8、beam4單元來模擬，其中，shell63單元主要用于模擬位于支腿內(nèi)側(cè)的司機(jī)室支撐平臺，link8單元主要用于模擬桁架桿件中的腹桿，beam4單元主要用于模擬桁架桿件中的弦桿。實(shí)體模型建成后，將其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)共被劃分成471個(gè)單元，模型共有197個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖1所示。

2金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析

分析前，對有限元模型施加邊界條件。按照實(shí)際工況，本文考慮的載荷主要有：結(jié)構(gòu)自身的重力，重力載荷主要通過施加重力加速度來實(shí)現(xiàn)，取98 m/s2;起重機(jī)大車和小車行走機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)引起的水平慣性力，該載荷主要通過施加水平方向的慣性加速度來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，取

0120 m/s2;起重機(jī)起吊貨物引起的起升載荷，按照文獻(xiàn)[8]的計(jì)算方法，將貨物的重量乘以起升系數(shù)可得對應(yīng)的起升載荷，通過計(jì)算，取63 191 N，本文只考慮小車位于主梁跨中的工況，為了避免計(jì)算時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力集中，將載荷平均分配到主梁跨中的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。本文考慮的約束主要是將將支腿底部固定在水平地面上，通過在支腿底部節(jié)點(diǎn)施加全約束來實(shí)現(xiàn)。加載后的有限元模型如圖2所示。

通過分析計(jì)算，該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)載荷作用下，其靜態(tài)應(yīng)力分布云圖如圖3所示。從圖3可以看出，該結(jié)構(gòu)的最大工作拉應(yīng)力發(fā)生在支腿上與主梁結(jié)合的部位，其值為112269 MPa;該結(jié)構(gòu)的最大工作壓應(yīng)力發(fā)生在主梁跨中部位，其值為118379 MPa。

將支腿、主梁的應(yīng)力分析結(jié)果單獨(dú)提取，可得其應(yīng)力云圖分別如圖4和圖5所示，從圖4和圖5可以看出，支腿部分拉應(yīng)力最大值位于與主梁結(jié)合的位置，其值為112269 MPa;支腿部分壓應(yīng)力最大值也位于與主梁結(jié)合的位置，其值為113748 MPa。主梁部分拉應(yīng)力最大值位于跨中位置，其值為98912 MPa;主梁部分壓應(yīng)力最大值也位于跨中位置，其值為118379 MPa。

總的來看，整機(jī)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大值位于右邊支腿上，且位于與主梁結(jié)合的部位，說明該部分結(jié)構(gòu)支撐相對比較薄弱，壓應(yīng)力最大值位于主梁跨中，無論是最大拉應(yīng)力還是最大壓應(yīng)力，其值均小于材料的許用應(yīng)力，因此，該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。而且，工作應(yīng)力值均遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力值，整機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸還有較大的優(yōu)化空間。

分析后提取其固有頻率和振型。根據(jù)振動(dòng)理論可知，結(jié)構(gòu)的高階振型對其動(dòng)態(tài)特性的影響較小，且會逐漸衰減，低階振型對結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的貢獻(xiàn)較大，因此，本文只取該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)前六階固有頻率及振型。其各階頻率值如表1所示，對應(yīng)的各階振型如圖6所示，從圖6可以看出，該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的第1階振型主要表現(xiàn)為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿左右方向的擺動(dòng)，第2階振型主要表現(xiàn)為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿前后方向的擺動(dòng)，第3階振型主要表現(xiàn)為左邊支腿沿前后方向的擺動(dòng)，第4階振型主要表現(xiàn)為右邊支腿沿前后方向的擺動(dòng)，第5階振型主要表現(xiàn)為主梁沿垂直方向的一階彎曲，第6階振型主要表現(xiàn)為主梁沿前后方向的二階彎曲。

32桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析前，設(shè)置激勵(lì)頻率變化范圍并加載，載荷設(shè)置為階躍載荷，即載荷大小不隨激勵(lì)頻率的變化而變化。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果可知，該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)前6階固有頻率的最大值在8 Hz以內(nèi)，因此，在本次分析中將激勵(lì)頻率變化范圍確定為0～8 Hz，載荷步為02 Hz，總載荷大小為63 191 N，平均加載到主梁跨中的2個(gè)節(jié)點(diǎn)上，方向?yàn)榇怪毕蛳?。分析結(jié)束后，考察主梁跨中節(jié)點(diǎn)和懸臂端節(jié)點(diǎn)沿垂直方向的位移響應(yīng)，圖7給出了上述節(jié)點(diǎn)沿垂直方向的位移響應(yīng)隨激勵(lì)頻率變化的曲線。從圖7可以看出，無論是位于主梁懸臂端上的節(jié)點(diǎn)，還是位于跨中的節(jié)點(diǎn)，其垂直方向上位移響應(yīng)幅值都在激勵(lì)頻率為64 Hz左右時(shí)達(dá)到最大，從模態(tài)分析結(jié)果知道，64 Hz的激勵(lì)頻率約等于該門機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的第5階固有頻率，因此，可以說明第5階模態(tài)對該桁架門式起重機(jī)的動(dòng)態(tài)特性影響最大，在今后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中需要重點(diǎn)考慮。

4結(jié)論

本文利用有限元軟件ANSYS對某桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。通過分析得出如下結(jié)論：

1）在設(shè)計(jì)載荷作用下，該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力發(fā)生在主梁跨中部位，最大拉應(yīng)力發(fā)生在右邊支腿上與主梁結(jié)合的部位，無論是最大壓應(yīng)力還是最大拉應(yīng)力，其值均小于材料的許用應(yīng)力，說明該結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

2）該桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)在非工作狀態(tài)下的前6階固有頻率從低階到高階依次分別為：1757 7、2450 3、4946 5、5779 4、6412 7、7788 8 Hz。各階振型表現(xiàn)如下：第1階振型主要

表現(xiàn)為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿左右方向的擺動(dòng)，第2階振型主要表現(xiàn)為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿前后方向的擺動(dòng)，第3階振型主要表現(xiàn)為左邊支腿沿前后方向的擺動(dòng)，第4階振型主要表現(xiàn)為右邊支腿沿前后方向的擺動(dòng)，第5階振型主要表現(xiàn)為主梁沿垂直方向的一階彎曲，第6階振型主要表現(xiàn)為主梁沿前后方向的二階彎曲。

3）在不同頻率的外界激勵(lì)作用下，無論是位于主梁跨中上的節(jié)點(diǎn)，還是位于懸臂端上的節(jié)點(diǎn)，其垂直方向上位移響應(yīng)幅值的最大值均出現(xiàn)在第5階固有頻率附近，桁架門式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的第5階模態(tài)對該結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響最大，在今后的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要重點(diǎn)考慮該階模態(tài)的影響。

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