基于ANSYS的塔式起重機(jī)臂模態(tài)分析

肖輝 李超 楊代云

摘 要：為解決某型號塔式起重機(jī)起重臂變形彎曲失效故障，由此展開研究并建立了有限元軟件分析模型，分析現(xiàn)有起重臂在自身負(fù)載及其風(fēng)載下變形彎曲的問題（原因）。以塔機(jī)臂為研究對象，進(jìn)行模態(tài)分析，得出了其前六階的固有頻率以及振型。針對在轉(zhuǎn)動、起重過程中自身負(fù)載激勵以及風(fēng)載激勵下塔機(jī)臂產(chǎn)生的振動變形現(xiàn)象，提出一系列改進(jìn)方法，為該型號起重臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動源布置提供了理論計(jì)算依據(jù)。

關(guān)鍵詞：塔式起重機(jī);起重臂;模態(tài)分析;振動變形

中圖分類號：TH213.3??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.007

0 引言

塔式起重機(jī)廣泛用于我國建筑行業(yè)，其工作效率高，對環(huán)境要求較低，配合變幅小車以及回轉(zhuǎn)臺，能在規(guī)定的最大起重重量和最高起吊高度構(gòu)成的圓柱空間內(nèi)快速轉(zhuǎn)運(yùn)重物[1]。

塔式起重機(jī)不斷變幅起吊的過程中，在自身荷載激勵下，起重臂各構(gòu)件會出現(xiàn)不同情況的變形，在不穩(wěn)定風(fēng)載激勵下會導(dǎo)致起重臂不同部分的振動變形，該種情況會影響其使用壽命，并存在安全隱患。當(dāng)所受激振力的頻率與塔式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的某一固有頻率接近時，就有可能引起結(jié)構(gòu)共振，最終會造成結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞或者產(chǎn)生的變形超出允許值的范圍，使得塔機(jī)的性能受到較大的影響。

為解決某型號塔式起重機(jī)起重臂振動變形問題，構(gòu)建該機(jī)型的有限元模型，通過對不同階數(shù)和頻率下起重臂的振型特點(diǎn)進(jìn)行分析，了解其變形特點(diǎn)，為今后塔式起重機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 建立有限元模型

1.1 構(gòu)建三維塔機(jī)起重臂模型

起重臂由上弦桿和下弦桿通過之間的斜拉桿構(gòu)成，各桿件通過螺栓連接，模型見圖1，在構(gòu)建時忽略一些對模態(tài)結(jié)果影響不大的因素[2]。表1是各金屬構(gòu)件的截面參數(shù)和構(gòu)件類型。

1.2 ANSYSAPDL模態(tài)分析思路

利用有限元分析模型確定模態(tài)試驗(yàn)的測量點(diǎn)、激勵點(diǎn)、支持點(diǎn)（懸掛點(diǎn)），參照計(jì)算振型對測試模態(tài)參數(shù)進(jìn)行辯識命名。

利用試驗(yàn)結(jié)果對有限元分析模型進(jìn)行修改，利用有限元模型對試驗(yàn)條件所產(chǎn)生的誤差進(jìn)行仿真分析，如邊界條件模擬、附加質(zhì)量、附加剛度所帶來的誤差，并對其進(jìn)行消除。兩套模型頻譜一致性和振型相關(guān)性分析。利用模態(tài)分析模型在不同階數(shù)和頻率下，各構(gòu)件發(fā)生的振動變形情況。

1.3 建立有限元模型的要點(diǎn)

有限元建模的總則是根據(jù)工程分析的精度要求，建立合適的能模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型。有限元建模應(yīng)滿足平衡、變形協(xié)調(diào)、剛度等價以及構(gòu)件傳力特點(diǎn)，以免構(gòu)件失真。

邊界條件：在結(jié)構(gòu)的邊界上必須嚴(yán)格滿足已知的位移條件。連接條件：在模型交界處必須妥善處理，滿足連接的剛度要求，讓模型不失真，進(jìn)而得到更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

2 模態(tài)分析結(jié)果

2.1 約束方式

約束模態(tài)是把塔機(jī)起重臂一端固定，連接處通過剛性連接實(shí)現(xiàn)全約束，沒有位移[3]。

2.2 模態(tài)分析

通過有限元軟件對塔機(jī)起重臂模態(tài)分析計(jì)算，分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析，由振動理論可得，低階固有頻率對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響要大于高階固有頻率的影響[4-5]。得出了該模型對應(yīng)的前6階的固有頻率和相應(yīng)的振型。塔機(jī)起重臂的固有頻率和振型屬于固有特性，與外荷載無關(guān)[6]。

對于第1階塔機(jī)起重臂振動變形主要在下橫梁尾端。

對于第2階兩種情況變形情況不一樣，變形最大處分別在斜拉桿和底部橫梁尾端。

對于第3階塔機(jī)起重臂最大位移處也分別在中間主橫梁中部和斜拉桿中部。

對于第4階，自由模態(tài)下構(gòu)件主要是左右擺動，角度值偏幅最大的位置在底部主橫梁連接處，而約束模態(tài)下存在左右擺動和上下扭動，最大位移處在斜拉桿末端。

對于第5階兩種情況下的構(gòu)件變形都比較大存在上下彎扭和左右擺動，最大位移處在頂部主橫梁連接處。

對于第6階，自由模式下上下彎轉(zhuǎn)的最大值在底部主橫梁，約束模態(tài)下有上下扭擺和左右擺動，主要位置分別位于下弦桿連接處和斜拉桿中部。各階對應(yīng)的自由模態(tài)下的振型圖如圖2～圖7，約束模態(tài)下的振型圖如圖8～圖13所示。表2、表3為各階對應(yīng)頻率。

塔機(jī)起重臂固有頻率和塔機(jī)實(shí)際收到的自身激勵以及外接激勵不能相同，也就是施加在塔機(jī)臂上的頻率要避開各階模態(tài)頻率，振動源功率和回轉(zhuǎn)下車的轉(zhuǎn)動速率以及風(fēng)載都要考慮，以免引起共振，造成安全事故，所以求解各階結(jié)構(gòu)模態(tài)具有重要意義。

3 改進(jìn)方法

（1）在振動源頻率已知的情況下，前三階可以考慮改變結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接和截面尺寸。

（2）在已知起重臂固有頻率時，設(shè)置振動源要考慮到回轉(zhuǎn)小車轉(zhuǎn)動以及起吊重物的擺動引起的頻率變化。

（3）在約束模態(tài)下，下橫梁以及下橫梁連接處的振動變形尤為嚴(yán)重，設(shè)計(jì)時可著重考慮構(gòu)件在工作下的性能發(fā)揮。

（4）風(fēng)載對塔機(jī)整體的側(cè)向穩(wěn)定影響很大，在風(fēng)載強(qiáng)度超過一定強(qiáng)度時，有關(guān)管理人員要對其各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)督，確保其穩(wěn)定運(yùn)行。

（5）針對塔機(jī)抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求，可以對起重臂的部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的加強(qiáng)，塔基整體承受風(fēng)載時，在保證其工作性能的基礎(chǔ)上減少壓差阻力。

4 結(jié)論

通過對某型號塔機(jī)起重臂的建模進(jìn)行模態(tài)分析，了解其固有頻率與振型特點(diǎn)，對振動源的布置和輸出頻率的選擇以及后期對塔機(jī)的管理維修檢測有指導(dǎo)作用，利用有限元軟件對結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足其行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行模態(tài)分析，了解其結(jié)構(gòu)的可行性，對其后期優(yōu)化改進(jìn)具有重大意義。同時模態(tài)分析也對自由模態(tài)和約束模態(tài)的振型進(jìn)行了對比，從振型圖上可以看出明顯的差異，因此，可以對塔式起重機(jī)在不同的約束形式下工作振動頻率進(jìn)行分析，以便于總結(jié)出何種形式的約束更加接近實(shí)際工況，從而提出更加準(zhǔn)確合理的設(shè)計(jì)方案和工作頻率，確保相關(guān)參數(shù)更加符合塔式起重機(jī)的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：湖南省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：土建中塔式起重機(jī)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)值仿真研究，編號：S201910531021

作者簡介：肖輝（1998-），男，云南永善人，本科在讀，專業(yè)：土木工程。

通訊作者：楊代云（1990-），男，湖南吉首人，碩士，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。