基于有限元法的岸邊起重機(jī)模態(tài)分析

林利芬 陳淑玲 肖浩

摘 要：利用Femap&NX Nastran有限元法對岸邊起重機(jī)的建模和約束進(jìn)行探討，并在此基礎(chǔ)上對岸邊吊機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模態(tài)分析，得出了各階模態(tài)下主梁的固有頻率和固有振型，從動態(tài)剛性對該起重機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)。

關(guān)鍵詞：岸邊起重機(jī);吊機(jī);Femap&NX Nastran;模態(tài)分析

0? ? 引言

TSJ160岸邊起重機(jī)是為某工程岸邊取梁專門設(shè)計(jì)的固定式懸臂吊機(jī)，自重約200 t，最大吊重160 t，主要由起升小車、主梁、立柱、吊掛、錨固、爬梯等部件組成。

機(jī)械振動對岸邊起重機(jī)的影響主要體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)的動態(tài)剛性上。對起重機(jī)的動態(tài)剛性一般不作要求，但用戶從起重機(jī)使用條件考慮對此有要求，或從起重機(jī)設(shè)計(jì)角度考慮認(rèn)為對此性能有要求時，則需進(jìn)行校核[1]。本文利用Femap&NX Nastran有限元法，對岸邊起重機(jī)的建模和約束進(jìn)行探討，并在此基礎(chǔ)上對其固有頻率和振型進(jìn)行分析，希望對固定式懸臂吊機(jī)的設(shè)計(jì)和使用提供一些幫助。

1? ? 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)，通過它可以確定自然頻率、振型和振型參數(shù)，即在特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動[2]。利用有限元分析軟件Femap&NX Nastran建立有限元模型，并對其進(jìn)行模態(tài)分析，可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。

2? ? 有限元模型建立

2.1? ? TSJ160岸邊起重機(jī)性能及參數(shù)

起重能力：最大懸臂10 m，最大起重量160 t;起升速度V=1.7 m/min;岸邊吊機(jī)自重約197 t。懸臂端起吊時，由于需要調(diào)整吊掛的位置，起重小車需要經(jīng)歷啟動、制動、再啟動、再制動的過程。該起重機(jī)起升電機(jī)為變頻電機(jī)，整個啟動、制動過程需要24 s，工作頻率為0.041 6 Hz。

2.2? ? 有限元模型

采用有限元計(jì)算軟件Femap&NX Nastran建立岸邊吊機(jī)有限元模型，岸邊吊機(jī)上部為兩層的桁架梁，下部立柱為由板材焊接而成的桁架結(jié)構(gòu)，主梁和立柱均采用梁單元模擬。圖1為岸邊起重機(jī)有限元模型[3]。

約束條件說明：立柱與地面之間通過預(yù)埋的高強(qiáng)螺栓錨固，立柱與地面為固定連接。

岸邊吊機(jī)上部為起重天車，起重天車以質(zhì)量單位（Mass）形式添加在車輪與上弦桿的接觸處。

3? ? 岸邊起重機(jī)的模態(tài)與振型

基于桁架模型的岸邊起重機(jī)為低頻振動系統(tǒng)，起升小車的卷揚(yáng)機(jī)為慢速卷揚(yáng)機(jī)，慢速起升和慢速下降時容易引起結(jié)構(gòu)共振?？紤]岸邊起重機(jī)的動態(tài)響應(yīng)主要取決于岸邊吊機(jī)結(jié)構(gòu)的前幾階頻率，對其結(jié)構(gòu)的前八階模態(tài)進(jìn)行分析，用于確定不同類型的動力載荷對結(jié)構(gòu)的影響。

如圖2所示，第一階模態(tài)和第二階模態(tài)固有頻率與固有振型反映了岸邊吊機(jī)的水平方向和豎直方向擺動，可由風(fēng)載荷和吊重及重物偏擺等原因激勵起振。第一階模態(tài)反映的是反向水平彎曲振動，頻率為0.086 7 Hz;第二階模態(tài)反映的是豎直方向振動，頻率為0.215 8 Hz。

如圖3所示，第三階模態(tài)和第四階模態(tài)固有頻率與固有振型反映了岸邊吊機(jī)主梁上下扭轉(zhuǎn)擺動，可由吊重偏載等原因激勵起振。第三階頻率為0.216 2 Hz，第四階頻率為0.253 9 Hz。

如圖4所示，第五階模態(tài)和第六階模態(tài)固有頻率與固有振型反映了岸邊吊機(jī)主梁和主梁平聯(lián)的水平方向?qū)ΨQ彎曲擺動。第五階模態(tài)反映主梁水平方向?qū)ΨQ彎曲振動，頻率為0.255 6 Hz;第六階模態(tài)反映的是主梁平聯(lián)水平對稱彎曲振動，頻率為0.283 4 Hz。

如圖5所示，第七階模態(tài)和第八階模態(tài)固有頻率與固有振型反映了岸邊吊機(jī)主梁和主梁平聯(lián)水平方向和豎直方向同向擺動。第七階模態(tài)反映主梁水平方向同向彎曲振動，頻率為0.296 8 Hz;第八階模態(tài)反映主梁平聯(lián)同向彎曲振動，頻率為0.322 2 Hz。

4? ? 結(jié)論

（1）本文利用大型有限元分析軟件Femap&NX Nastran對岸邊起重機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，展示了岸邊起重機(jī)結(jié)構(gòu)固有振動形態(tài)并預(yù)測其動態(tài)特性，明確了引起振動的原因。

（2）準(zhǔn)確地計(jì)算出結(jié)構(gòu)的固有振型，并以圖像形式展現(xiàn)。

（3）由模態(tài)分析的結(jié)果可知，岸邊起重機(jī)典型工作頻率可避開前幾階固有頻率。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB/T 3811—2008[S].

[2] 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50017—2003[S].

[3] 林利芬，肖浩.基于Femap with NX Nastran的MD300-28金屬結(jié)構(gòu)分析[J].科協(xié)論壇（下半月），2012（7）：45-46.

收稿日期：2021-05-13

作者簡介：林利芬（1979—），女，湖北武漢人，碩士研究生，副教授，研究方向：CAD/CAM一體化技術(shù)。