造船门式起重机模态分析研究

2013-11-18李英春

中国重型装备 2013年4期

王晟李英春

(1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063;2.中国人民解放军第四八一零工厂，辽宁 116000)

1 进行模态分析的必要性

造船门式起重机作为船坞区分段合拢必不可少的起重设备，近几年有朝着超大跨度、超大起重量方向发展的趋势。在大型造船门式起重机(以下简称大型造船门机)结构的设计过程中，设计人员主要考虑的是结构的静强度、刚度和稳定性，忽视振动对整机结构的影响，其结果难免会使大型造船门机结构局部存在不合理之处。然而大型造船门机结构振动特性的优劣对其整体性能有着重要的影响，振动不仅可能会造成大型造船门机共振，而且造成其结构的疲劳破坏。当大型造船门机受到外界的载荷激励频率与其某一固有频率接近时，就有可能引起结构共振，从而产生很高的动应力，造成结构的强度破坏或产生不允许的大变形，破坏其使用性能。模态分析的作用主要是使结构避免共振或按特定频率进行振动。因此，对大型造船门机做模态分析是十分必要的。

本文以某船厂整机额定抬吊重量1 000 t，轨距145 m 的双梁大型造船门机为例，根据设计图纸建立ANSYS 模型，通过模态分析计算出其低阶的固有频率和振动阻尼，为结构设计人员提供相应的参考。

2 大型造船门机模态分析

2.1 模态分析理论基础

模态分析是所有动力学分析的基础，是确定结构或机器部件振动特性的一种技术。它可以计算出被分析结构的振动频率、振动型式以及阻尼，从而为金属结构设计人员提供信息，尽可能的避免一些特定频率下的振动。对于n 自由度的线性阻尼振动系统，其自由振动的运动微分方程为:

忽略阻尼不计，令［C］=0，即:

得到系统的特征方程为:

式中，ω 是系统固有频率。

2.2 大型造船门机有限元模型的建立

大型造船门机的主梁、刚性腿和柔性腿选用梁单元BEAM188，并根据其各部件的重量(考虑对应结构扶梯栏杆的重量)对每个部件的材料密度做适当的调整，以反映整机的质量大小和重心位置。对于在模型中无需建立但对整体质量分布有一定影响的部件，如上小车、下小车和维修吊等选用是集中质量单元MASS21。最终建立的ANSYS 模型如图1 所示。

2.3 施加约束

根据实际情况，主梁和刚性腿连接的位置采用刚性连接。主梁和柔性腿连接的位置采用铰接，将该连接位置的垂向自由度和沿大车轨道方向的自由度耦合，其它方向自由度释放。将该大型造船门机的大车运行机构简化为8 个相互连接的梁节点，并将8 个节点施加3 个方向的线位移约束。

图1 大型造船门机有限元模型Figure 1 Finite element model of heavy duty naval gantry crane

2.4 大型造船门机模态分析

由振动理论知识可知，高阶固有频率在结构存在阻尼的情况下迅速衰减，相对应的振动能量迅速减弱，在实际的振动过程中对结构的振动影响较小。在结构的振动过程中起主要作用的是较低阶振型所对应的固有频率。对于大型造船门机这样具有几十万个自由度的大型钢结构系统，利用模态分析计算其高阶固有频率和振型向量既费力、费时，又没有什么实际意义。因此对于大型钢结构系统，做模态分析一般都是选择前几阶的固有频率和振型作为研究对象。本文选择该大型造船门机的前10 阶固有频率和振型向量作为研究对象。通过ANSYS 的后处理结果，得到该大型造船门机前10 阶固有频率如表1 所示。

该大型造船门机前10 阶振型如图2～图11所示。