异型高处作业吊篮检测架动态特性与瞬态响应分析

张 珂,赵 亮,郭 桦,吴 杰,吴玉厚

(1.沈阳建筑大学交通与机械工程学院,辽宁 沈阳 110168;2.沈阳工程学院技术经济系,辽宁 沈阳 110036;3.江苏申锡建筑机械有限公司,江苏 无锡 214101)

高处作业吊篮是我国现代工业和民用建筑施工过程中主要的施工机械之一,因其操作简单灵活、移位容易、方便实用、安全可靠等特点,被广泛应用于高层建筑外装修、外墙维修和外墙清洗[1].随着高处作业吊篮异型化技术的进步,随之而来的安全检测问题越来越显得突出,这就要求在平台应用于实际施工之前必须对其进行各项指标的检测,因此适应于异型高处作业吊篮的检测架应运而生.检测过程中检测架整体系统起升瞬间处于动荷载作用下,这些动态载荷通过各部件的衔接传递到系统的各个部位,从而引起整体及局部的动态响应,因此为了设计出构造合理、安全、可靠的检测装置有必要对检测架做动态分析[2].笔者利用有限元分析,确定检测架系统的动态特性,即结构的固有频率和模态振型等,避免外力频率与结构的固有频率相同或接近,防止发生共振,同时在模态分析的基础上进行瞬态响应分析,获得了起升冲击荷载对测试架结构应力和变形情况.

1 检测架有限元计算模型建立

异型高处作业吊篮检测架是由顶架、底部架和支座3部分组成的空间桁架结构,其整体结构参数如表1所示.

异型高处作业吊篮检测架工作环境复杂,其特性取决于多方面因素,因此,必须对其真实模型进行一系列简化处理[3]:①把高空作业吊篮各个杆件焊接连接处和螺栓连接处用梁单元的同一个节点代替.②认为检测架材料是各向同性材料,密度分布均匀,并且为完全弹性体.

采用BEAM188单元进行自由网格划分,对可能产生应力集中的部位进行局部细化,从而得到检测架的有限元模型如图1所示.测试架有限元模型包含765个节点,882个单元.

表1 检测架整体结构参数Tab.1 Structure parameters of inspection cradle

2 检测架模态分析

固有频率和振型向量是进行检测架动态结构设计中必不可少的参数,因此有必要对检测架进行固有特性的模态分析[4].由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合,其中低阶的振型对结构的动力影响程度比高阶振型大[5],因此本文在模态分析中采用了Block-Lanczos法对检测架前8阶的模态振型进行分析,经计算得到的前8阶固有频率列于表2,对应的各阶模态振型如图2所示,文中只列出前2阶模态振型图.

图1 检测架有限元模型Fig.1 Finite element model of inspection cradle

表2 检测架前8阶固有频率Tab.2 Former 8 stepts inherent frequency of inspection cradle

分析得出,前2阶模态为1阶模态,主要表现为沿x,z轴的平面摆动,振幅为4mm,出现在检测架的顶端位置;其余6阶模态为2阶模态,第3～5阶模态振型主要表现为整体的弯曲扭转,最大振幅均出现在检测架机身位置,其中第3阶模态振型属于2阶纯扭转形式,其振幅较大,应尽量避开此频率范围,第5阶模态振型为弯扭组合形式,第6～8阶模态表现为局部变形,尤其是底架撑杆变形严重,形式为不同方向的弯曲,应对底架撑杆进行局部校核.

图2 检测架前2阶模态振型Fig.2 Former 8 stepts mode shape of inspection cradle

根据高处作业吊篮标准[6],要求检测架的低阶固有频率不能与提升机的运转频率相同或相接近,经过计算得出提升机正常运转频率为50 Hz,转速为1500 r·min-1.由表2可知检测架前8阶固有频率有效避开了提升机正常工作的频率范围,避免发生整体共振现象,因此检测架整体满足动态性能要求.

3 检测架瞬态响应分析

结构在给定动荷载激励下的动态响应是评价其动态性能优劣的重要指标.在实际工程中,由于试验条件、经济条件以及设计周期等因素的限制,在设计阶段通常很难对检测架进行振动和冲击试验,运用有限元方法对检测架进行动力学分析可以确定动力荷载作用下检测架应力、位移等随时间变化的规律,从而为设计及结构改进提供理论依据[3].

3.1 动载荷施加

异型高处作业吊篮起升瞬间产生的冲击荷载对检测架结构的冲击影响很大,因此对检测架进行瞬态响应分析是非常有必要的.吊篮正常起升过程中起升高度为5 m,起升荷载为10000 N,起升冲击时间在0.2 s内完成.瞬态分析求解的精度取决于积分时间步长大小.要计算出最优时间步长,应当遵守一定的准则,文中考虑到实际有限元计算模型较大,并根据模态分析求解结果,确定积分时间步长Δt=0.01 s,划分为20个子步,满足直接积分的条件稳定性要求.

3.2 瞬态分析计算结果

基于上述工作,通过完全法对检测架有限元模型起升冲击荷载进行瞬态动力学求解,获得检测架危险节点(77号节点)处的动态响应时间历程.图3～5给出该节点受到起升冲击荷载后 x,y,z向的位移-时间响应曲线;图6为第0.08 s等效动应力云图;表3为检测架对起升冲击荷载响应的位移与动应力结果统计,表中只列出前10个子步的数据统计.

图3 x方向位移-时间响应曲线Fig.3 x direction displacement-time response curve

图4 y方向位移-时间响应曲线Fig.4 y direction displacement-time response curve

图5 z方向位移-时间响应曲线Fig.5 z direction displacement-time response curve

图6 第0.08 s等效动应力云图Fig.6 0.08s dynamic Von Mises stress

表3 振动位移与动应力结果统计Tab.3 Vibration displacement and dynamic stress results

3.3 结果分析

图3～5为危险节点在x,y,z方向的位移随时间变化曲线.由图3～5和表3可以看出,在起升冲击荷载的作用下,检测架以x方向振动为主,y方向振动位移幅值小于x方向振动位移幅值,z方向振动位移幅值小于y方向振动位移幅值.节点在x向振动幅度较大,主要表现为平面摆动,其中第0.09 s时达到30.3498mm,根据工程实际设计要求,变形应小于检测架整体高度的0.5%,即许用变形39mm,x向满足动刚度要求;y向上的振动幅度达到4mm,但均值很小,其主要变形方式为y轴负方向的压缩,对检测架的整体稳定性有一定的影响;z向上的变形很小,最大仅仅为0.47mm,对整体刚度几乎没有影响.

图6为第8阶子步的等效动应力图.由图可知,检测架最大等效动应力出现在吊杆与顶架撑杆连接的部位,是整个检测架的危险区域,最大等效动应力为110.917 MPa,由表3可知起升过程中,各子步的等效动应力的均值随时间变化相对稳定,其值为89.04 MPa.检测架各杆件选用材料为Q235-A,其屈服极限为235 MPa,设计安全系数为2,因此其许用应力为117.5 MPa,大于检测架危险区域的最大等效动应力110.917 MPa,结构动态强度满足设计要求.

4 结论

(1)根据振动特性可知,6～8阶为局部的弯曲变形,振幅较大,因此底部架撑杆是检测架较为薄弱构件,可通过改变截面尺寸对其进行加强.通过模态分析得出检测架低阶固有频率有效地避开了提升机正常的工作频率50 Hz,避免了发生整体共振现象.

(2)在瞬时的起升冲击荷载作用下,危险节点x,y,z向变形在很短的时间间隔内具有一定的波动性,随着时间间隔的变化,波动的幅度各不相同;检测架顶部x向响应最为强烈,第0.09 s时变形最大,可达30.3498mm,小于测试架的许用变形39mm,满足结构动刚度设计要求,但在起升的过程中应尽量保持平稳,减小人为的危险冲击.

(3)根据各子步的等效动应力云图可知,吊杆与顶架撑杆连接部位是整个检测架的危险区域,主要是因为产生应力集中,最大等效动应力为110.917 MPa,满足结构动态强度设计要求,为进一步的优化提供了理论依据.

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