基于ANSYS的門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

趙文濤，余峰，吳畏，郭俊材，王帥，肖克雅，陳芃吉

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基于ANSYS的門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

趙文濤，余峰，吳畏，郭俊材，王帥，肖克雅，陳芃吉

（中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213）

以某門(mén)式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為例，利用有限元軟件ANSYS分析了其動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)分析得出如下結(jié)論：當(dāng)起重小車(chē)位于主梁跨中和懸臂端時(shí)，整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的各階模態(tài)振型均表現(xiàn)一致，其中，第四階模態(tài)為整機(jī)結(jié)構(gòu)在垂直方向的振動(dòng)，當(dāng)小車(chē)位于主梁跨中時(shí)，對(duì)應(yīng)的固有頻率值為3.033 Hz，即其動(dòng)態(tài)性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。分析結(jié)果為該起重機(jī)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

ANSYS；門(mén)式起重機(jī)；動(dòng)態(tài)特性

門(mén)式起重機(jī)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)門(mén)機(jī)）是起重運(yùn)輸機(jī)械的一種，在水運(yùn)港口、鐵路貨場(chǎng)、建設(shè)工地等場(chǎng)地有著廣泛的應(yīng)用，這類(lèi)起重機(jī)有著共同的優(yōu)點(diǎn)，即較高的場(chǎng)地利用率、較大的作業(yè)范圍、較強(qiáng)的通用性等[1]。但是，這類(lèi)起重機(jī)在運(yùn)行時(shí)也有著比較明顯的缺點(diǎn)，即它的重要組成部分比如起升機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)給整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)造成一定程度的沖擊振動(dòng)，進(jìn)而給司機(jī)人員的工作舒適性和效率帶來(lái)不利的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂[2]。因此，在進(jìn)行門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，必須考察其動(dòng)態(tài)特性的影響，判斷結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能參數(shù)是否滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。文獻(xiàn)[3]借助SolidWorks和ABAQUS軟件對(duì)某橋式起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，得出了該起重機(jī)的前六階固有頻率和振型，并通過(guò)諧響應(yīng)分析獲取了其頻率－響應(yīng)曲線。文獻(xiàn)[4]利用有限元軟件ANSYS對(duì)某門(mén)機(jī)的蒙皮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，并在后續(xù)分析過(guò)程中確定出了影響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的關(guān)鍵頻率。文獻(xiàn)[5]利用動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)某雙梁橋式起重機(jī)在起升過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，通過(guò)分析得到了該起重機(jī)在不同起升運(yùn)動(dòng)階段時(shí)各個(gè)零部件的頻率響應(yīng)、位移響應(yīng)和速度響應(yīng)。文獻(xiàn)[6]則是通過(guò)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析法對(duì)某門(mén)機(jī)在起升過(guò)程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，得到該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和振動(dòng)響應(yīng)隨時(shí)間的變化規(guī)律。本論文基于有限元理論，利用有限元軟件ANSYS，對(duì)某門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自振特性進(jìn)行了研究，獲取其固有頻率和振型等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，分析結(jié)果為其動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

1 門(mén)機(jī)計(jì)算結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及有限元模型

本論文分析的對(duì)象為某起重機(jī)廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的八字型支腿門(mén)機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 門(mén)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

該門(mén)機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要由不同厚度的鋼板材料通過(guò)焊接或鉚接制作而成，在利用有限元軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行分析時(shí)，可以選擇使用shell 63板殼單元來(lái)模擬。由于該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)零部件較多，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了便于計(jì)算，提升計(jì)算效率，本文在建模時(shí)對(duì)該門(mén)機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定程度的簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化原則為：對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果影響較小的零部件不予考慮或者將其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，這些零部件主要包括有：

（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)上用于安裝、固定、修飾用的附加零件，這些零件直接去掉；

（2）支腿上的梯子、主梁上的欄桿、花紋板、司機(jī)室等，忽略這些零部件的結(jié)構(gòu)形式，其質(zhì)量以mass 21單元的形式附加在有限元模型上；

（3）連接螺栓，零部件之間的焊接、鉚接等裝配結(jié)構(gòu)，這些零部件均看作剛性連接；

（4）起重小車(chē)運(yùn)行軌道，這個(gè)零部件對(duì)該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的整體剛度會(huì)有一定程度的影響，為了盡量符合真實(shí)情況，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在建模過(guò)程中利用beam188單元來(lái)模擬該軌道，并將起重小車(chē)自身的重量和吊重的重量以mass 21單元的形式施加在小車(chē)車(chē)輪與鋼軌接觸的四個(gè)節(jié)點(diǎn)上。

在實(shí)體模型建成后，需對(duì)該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，為了獲得較高的計(jì)算精度，同時(shí)盡可能的節(jié)約計(jì)算時(shí)間，將該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要零部件采用映射方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其有限元模型如圖2所示。

在有限元建模過(guò)程中必須設(shè)置結(jié)構(gòu)的材料屬性參數(shù)，本文中計(jì)算的門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的材料參數(shù)如下：密度為7.85×10-6kg/mm3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

圖2 門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)有限元模型

2 門(mén)機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析理論

本論文利用有限元軟件ANSYS開(kāi)展八字型支腿門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析，利用ANSYS可以開(kāi)展的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析內(nèi)容主要包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、沖擊分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等。

模態(tài)分析也被稱(chēng)為特征值提取技術(shù)，主要是為了獲得多自由度系統(tǒng)在自由振動(dòng)狀態(tài)下的固有頻率及振型。

根據(jù)有限元理論，該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成多自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，在考慮外載荷條件下的振動(dòng)方程可以表述如下[7-8]：

一般而言，機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型應(yīng)為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)做無(wú)阻尼自由振動(dòng)時(shí)的頻率和振型，與外載荷無(wú)關(guān)[9]。因此，在對(duì)該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，其金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)看作是不受外力作用的無(wú)阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，也就是說(shuō)，此時(shí)，該系統(tǒng)所受外載荷和阻尼均為零，其固有頻率和振型只與其剛度和質(zhì)量有關(guān)，所以其無(wú)阻尼自由振動(dòng)微分方程可以描述為[10]：

通過(guò)求解式（2）可得到該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率及振型。

2.2 門(mén)機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的每一階模態(tài)都有其相對(duì)應(yīng)的固有頻率和振型。理論上，由于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是連續(xù)結(jié)構(gòu)體，且質(zhì)量和彈性分布均勻，所以，其模態(tài)階數(shù)應(yīng)該是無(wú)窮多個(gè)，但是，文獻(xiàn)[11]研究表明只有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的低階模態(tài)對(duì)其固有頻率和振型等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)起主要決定作用。對(duì)于起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)而言，考慮到實(shí)際情況下，外力載荷或激勵(lì)頻率與其低階固有頻率接近或重合的概率較高，由此引發(fā)的共振可能性也相對(duì)較大，因此，本文只研究該起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階模態(tài)參數(shù)。

門(mén)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，起重小車(chē)在主梁上做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，整機(jī)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的質(zhì)量分布會(huì)出現(xiàn)一定程度的變化，從而導(dǎo)致整機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)也會(huì)隨之變化。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[12]，在進(jìn)行門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考察起重小車(chē)運(yùn)行至主梁跨中節(jié)點(diǎn)及主梁懸臂端時(shí)，整機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，故本文也只分析起重小車(chē)位于上述位置時(shí)的固有頻率和振型等模態(tài)參數(shù)。

利用有限元軟件ANSYS，在建模完成后，根據(jù)Lanczos法[13]求出該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階模態(tài)參數(shù)，包括固有頻率和對(duì)應(yīng)振型。通過(guò)計(jì)算，該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階固有頻率值如表1所示，圖3給出了當(dāng)起重小車(chē)運(yùn)行至主梁跨中時(shí)，該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階模態(tài)振型圖，當(dāng)起重小車(chē)運(yùn)行至主梁懸臂端時(shí)，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階振型與小車(chē)位于主梁跨中時(shí)的振型表現(xiàn)一致，此時(shí)門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的前六階振型如圖4所示。

表1 門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各階固有頻率

圖3 起重小車(chē)位于主梁跨中時(shí)門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各階振型圖

圖4 起重小車(chē)位于主梁懸臂端時(shí)門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各階振型圖

從圖3和圖4給出的前六階模態(tài)振型圖可以看出，當(dāng)起重小車(chē)運(yùn)行至主梁跨中和懸臂端時(shí)：第一階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿水平橫向方向的振動(dòng)；第二階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)在水平方向的彎曲振動(dòng)；第三階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿水平縱向方向的振動(dòng)；第四階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿垂直方向的振動(dòng)；第五階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)在水平方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；第六階模態(tài)振型均為主梁的彎曲振動(dòng)。另外，從表1和圖3、4的結(jié)果可以看出，隨著階數(shù)的增加，該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率也會(huì)隨之增加。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[12]對(duì)門(mén)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的相關(guān)規(guī)定，當(dāng)起重小車(chē)運(yùn)行至主梁跨中時(shí)，其垂直方向滿載固有頻率應(yīng)大于或等于2 Hz。從該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)分析結(jié)果可以看出，其第四階模態(tài)振型為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿垂直方向的振動(dòng)振型，對(duì)應(yīng)的固有頻率值為3.033 Hz，大于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的2 Hz，因此，說(shuō)明該門(mén)機(jī)的動(dòng)態(tài)剛性滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但是也有一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間，可以在后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

3 結(jié)束語(yǔ)

本論文基于有限元法，利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)某門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有頻率和對(duì)應(yīng)振型等動(dòng)態(tài)特性參數(shù)進(jìn)行了分析，通過(guò)分析得出如下結(jié)論：當(dāng)起重小車(chē)運(yùn)行至主梁跨中和懸臂端時(shí)，該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的前六階模態(tài)振型均表現(xiàn)一致。其中，第四階模態(tài)振型均為整機(jī)結(jié)構(gòu)沿垂直方向的振動(dòng)，當(dāng)起重小車(chē)運(yùn)行至主梁跨中時(shí)，對(duì)應(yīng)的固有頻率值為3.033 Hz，說(shuō)明其動(dòng)態(tài)性能滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求。分析結(jié)果為該門(mén)機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考，也為其他同類(lèi)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性的分析及動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化提供了思路。

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Dynamic Characteristic Analysis of Gantry Crane Based on ANSYS

ZHAO Wentao，YU Feng，WU Wei，GUO Juncai，WANG Shuai，XIAO Keya，CHEN Pengji

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China)

Taking a gantry crane as an example, its dynamic characteristic was analyzed based on ANSYS in this paper. It is concluded that mode shapes of the crane are same when the trolley is located in the middle of the girder and the cantilever end, among them, the fourth order mode is the vibration of structure in the vertical direction, the corresponding natural frequency value is 3.033Hz when the trolley is located in the middle of the girder, therefore, the crane’s dynamic characteristic meets the requirements of the national standard. The results provide basis for optimization of the crane’s dynamic characteristic.

ANSYS；gantry crane；dynamic characteristic

O242.21

A

1006－0316 (2018) 04－0027－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.007

2017－12－12

趙文濤（1974－），男，河南安陽(yáng)人，本科，工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。