基于ANSYS的FP6010塔機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析

李文豪

摘 ?要：利用有限元法，以FP6010平頭塔機(jī)為研究對(duì)象，分析了其動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)分析得出以下結(jié)論：塔機(jī)的前六階的固有頻率值分別為：0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515;各階振型表現(xiàn)為：第一階振型反映了塔機(jī)繞塔身在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第二階振型反映了塔機(jī)繞塔身根部固定點(diǎn)前后的彎曲振動(dòng)，第三階振型反映了塔機(jī)繞固定點(diǎn)左右擺動(dòng)，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動(dòng)，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動(dòng)。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)，為其他同類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：有限元法;平頭塔機(jī);動(dòng)態(tài)特性;固有頻率;振型

0引言

塔機(jī)是一種經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和具有復(fù)雜耦合運(yùn)動(dòng)的建筑機(jī)械。工作時(shí)各機(jī)構(gòu)頻繁地起動(dòng)或制動(dòng)引起強(qiáng)烈的振動(dòng)和沖擊，并產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的衰減振動(dòng)，這是塔機(jī)結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。近年來(lái)，隨著塔式起重機(jī)起升高度和工作效率的不斷提高，塔式起重機(jī)的振動(dòng)問(wèn)題也越來(lái)越突出。

1塔機(jī)有限元模型的建立

為了使建立的塔機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析模型更加合理準(zhǔn)確，建模時(shí)須進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化處理：①回轉(zhuǎn)支座相對(duì)塔機(jī)而言幾何尺寸小、剛度大、質(zhì)量集中且不易失穩(wěn)，可采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行等效處理，減少塔機(jī)整體分析時(shí)的單元種類(lèi)，避免了具有不同節(jié)點(diǎn)自由度的梁?jiǎn)卧桶鍤卧倪B接問(wèn)題，以便進(jìn)行后處理分析;②塔身底部結(jié)構(gòu)剛度大，與地腳螺栓相連，約束在底部4個(gè)節(jié)點(diǎn)的所有自由度;起重臂、平衡臂與回轉(zhuǎn)節(jié)連接處及拉桿與起重臂、平衡臂、塔頂連接處可視為鉸支座，采用耦合處理，僅釋放繞其銷(xiāo)軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以反映其真實(shí)連接情況。

塔機(jī)部分桿件的材料選用Q235鋼材，即彈性模量E=201GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3，其他桿件材料選用Q345的鋼材，即彈性模量E=210GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3。由于塔機(jī)大多數(shù)桿件主要承受軸向力外還承受如彎矩、扭矩、剪切等內(nèi)力，為提高建模的準(zhǔn)確性，選用了考慮拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的空間梁?jiǎn)卧狟eam188進(jìn)行建模。平衡臂及起重臂拉桿選擇空間桿單元Link180單元模擬即可滿(mǎn)足分析要求。Link180是2節(jié)點(diǎn)3自由度的軸向拉壓三維桿單元，不考慮桿件的彎曲及扭轉(zhuǎn)變形，具有塑性、蠕變、大變形等多種特性。根據(jù)選擇的單元類(lèi)型及定義的參數(shù)，采用命令流和GUI相結(jié)合的建模方法建立如圖1所示的塔機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型，該模型由5845個(gè)單元和4922個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。

2模態(tài)分析

ANSYS的模態(tài)分析是一線(xiàn)性分析，任何非線(xiàn)性特性（如塑性和接觸單元）即使定義了也將忽略?？蛇M(jìn)行有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、大變形靜力分析后有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析、循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、有預(yù)應(yīng)力的循環(huán)對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析、無(wú)阻尼和有阻尼結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。模態(tài)分析中模態(tài)的提取方法有七種，即分塊蘭索斯法、子空間迭代法、縮減法或凝聚法、PowerDynamics法、非對(duì)稱(chēng)法、阻尼法、QR阻尼法，缺省時(shí)采用分塊蘭索斯法。塔機(jī)的前六階固有頻率為：（單位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515。

從模態(tài)振型圖可以看出塔機(jī)的第一階振型反映了塔機(jī)繞塔身在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第二階振型反映了塔機(jī)繞塔身根部固定點(diǎn)前后的彎曲振動(dòng)，第三階振型反映了塔機(jī)繞固定點(diǎn)左右擺動(dòng)，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動(dòng)，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動(dòng)。

3結(jié)論

基于有限元法，利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)FP6010平頭塔機(jī)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，通過(guò)分析得出如下結(jié)論：

塔機(jī)的前六階固有頻率為：（單位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515各階固有頻率都較低，且相差不大。

塔機(jī)的各階振型表現(xiàn)為：第一階振型反映了塔機(jī)繞塔身在水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，第二階振型反映了塔機(jī)繞塔身根部固定點(diǎn)前后的彎曲振動(dòng)，第三階振型反映了塔機(jī)繞固定點(diǎn)左右擺動(dòng)，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動(dòng)，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內(nèi)的彎曲振動(dòng)，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動(dòng)。

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