基于ANSYS的门机金属结构系统动态特性分析

赵文涛，余峰，吴畏，郭俊材，王帅，肖克雅，陈芃吉



基于ANSYS的门机金属结构系统动态特性分析

赵文涛，余峰，吴畏，郭俊材，王帅，肖克雅，陈芃吉

（中国核动力研究设计院，四川 成都 610213）

以某门式起重机金属结构系统为例，利用有限元软件ANSYS分析了其动态特性。通过分析得出如下结论：当起重小车位于主梁跨中和悬臂端时，整机金属结构系统对应的各阶模态振型均表现一致，其中，第四阶模态为整机结构在垂直方向的振动，当小车位于主梁跨中时，对应的固有频率值为3.033 Hz，即其动态性能满足国家标准的要求。分析结果为该起重机动态性能的优化奠定了基础。

ANSYS；门式起重机；动态特性

门式起重机（以下简称门机）是起重运输机械的一种，在水运港口、铁路货场、建设工地等场地有着广泛的应用，这类起重机有着共同的优点，即较高的场地利用率、较大的作业范围、较强的通用性等[1]。但是，这类起重机在运行时也有着比较明显的缺点，即它的重要组成部分比如起升机构、制动机构、回转机构等在运动过程中，会给整机金属结构系统造成一定程度的冲击振动，进而给司机人员的工作舒适性和效率带来不利的影响，严重时还会导致整机结构的疲劳断裂[2]。因此，在进行门机金属结构系统设计过程中，必须考察其动态特性的影响，判断结构的动态性能参数是否满足国家相关标准的要求。文献[3]借助SolidWorks和ABAQUS软件对某桥式起重机金属结构系统进行了动态特性分析，得出了该起重机的前六阶固有频率和振型，并通过谐响应分析获取了其频率－响应曲线。文献[4]利用有限元软件ANSYS对某门机的蒙皮结构系统进行了模态分析，并在后续分析过程中确定出了影响结构系统动态特性的关键频率。文献[5]利用动力学分析软件ADAMS对某双梁桥式起重机在起升过程中的动态特性进行了分析，通过分析得到了该起重机在不同起升运动阶段时各个零部件的频率响应、位移响应和速度响应。文献[6]则是通过瞬态动力学分析法对某门机在起升过程中的动态响应进行了研究，得到该门机金属结构系统的结构应力和振动响应随时间的变化规律。本论文基于有限元理论，利用有限元软件ANSYS，对某门机金属结构系统的自振特性进行了研究，获取其固有频率和振型等动态特性参数，分析结果为其动态性能的优化提供数据参考。

1 门机计算结构简图及有限元模型

本论文分析的对象为某起重机厂设计生产的八字型支腿门机，其结构简图如图1所示。

图1 门机结构简图

该门机的金属结构系统主要由不同厚度的钢板材料通过焊接或铆接制作而成，在利用有限元软件对其结构特性进行分析时，可以选择使用shell 63板壳单元来模拟。由于该门机金属结构系统零部件较多，结构较为复杂，为了便于计算，提升计算效率，本文在建模时对该门机的金属结构进行了一定程度的简化，简化原则为：对结构系统动态特性分析结果影响较小的零部件不予考虑或者将其结构进行简化处理，这些零部件主要包括有：

（1）整机结构上用于安装、固定、修饰用的附加零件，这些零件直接去掉；

（2）支腿上的梯子、主梁上的栏杆、花纹板、司机室等，忽略这些零部件的结构形式，其质量以mass 21单元的形式附加在有限元模型上；

（3）连接螺栓，零部件之间的焊接、铆接等装配结构，这些零部件均看作刚性连接；

（4）起重小车运行轨道，这个零部件对该门机金属结构系统的整体刚度会有一定程度的影响，为了尽量符合真实情况，保证分析结果的准确性，在建模过程中利用beam188单元来模拟该轨道，并将起重小车自身的重量和吊重的重量以mass 21单元的形式施加在小车车轮与钢轨接触的四个节点上。

在实体模型建成后，需对该门机金属结构系统进行有限元网格划分，为了获得较高的计算精度，同时尽可能的节约计算时间，将该门机金属结构系统的主要零部件采用映射方式进行网格划分，其有限元模型如图2所示。

在有限元建模过程中必须设置结构的材料属性参数，本文中计算的门机金属结构系统的材料参数如下：密度为7.85×10-6kg/mm3，弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3。

图2 门机金属结构系统有限元模型

2 门机动态特性分析

2.1 结构动态特性分析理论

本论文利用有限元软件ANSYS开展八字型支腿门机金属结构系统的动态特性分析，利用ANSYS可以开展的结构动态特性分析内容主要包括模态分析、谐响应分析、冲击分析、瞬态动力学分析等。

模态分析也被称为特征值提取技术，主要是为了获得多自由度系统在自由振动状态下的固有频率及振型。

根据有限元理论，该门机金属结构系统组成多自由度运动系统，在考虑外载荷条件下的振动方程可以表述如下[7-8]：

一般而言，机械结构的固有频率和振型应为结构系统做无阻尼自由振动时的频率和振型，与外载荷无关[9]。因此，在对该门机金属结构进行模态分析时，其金属结构系统应看作是不受外力作用的无阻尼自由振动系统，也就是说，此时，该系统所受外载荷和阻尼均为零，其固有频率和振型只与其刚度和质量有关，所以其无阻尼自由振动微分方程可以描述为[10]：

通过求解式（2）可得到该门机金属结构系统的固有频率及振型。

2.2 门机结构动态特性分析结果

模态是机械结构系统的固有动态特性参数，该门机金属结构系统的每一阶模态都有其相对应的固有频率和振型。理论上，由于起重机金属结构系统是连续结构体，且质量和弹性分布均匀，所以，其模态阶数应该是无穷多个，但是，文献[11]研究表明只有结构系统的低阶模态对其固有频率和振型等动态特性参数起主要决定作用。对于起重机金属结构系统而言，考虑到实际情况下，外力载荷或激励频率与其低阶固有频率接近或重合的概率较高，由此引发的共振可能性也相对较大，因此，本文只研究该起重机金属结构系统的前六阶模态参数。

门机在实际运行过程中，起重小车在主梁上做往复直线运动，随着运动的进行，整机结构系统的质量分布会出现一定程度的变化，从而导致整机结构的动态特性参数也会随之变化。根据国家标准的规定[12]，在进行门机金属结构设计时，主要考察起重小车运行至主梁跨中节点及主梁悬臂端时，整机金属结构系统的动态特性，故本文也只分析起重小车位于上述位置时的固有频率和振型等模态参数。

利用有限元软件ANSYS，在建模完成后，根据Lanczos法[13]求出该门机金属结构系统的前六阶模态参数，包括固有频率和对应振型。通过计算，该门机金属结构系统的前六阶固有频率值如表1所示，图3给出了当起重小车运行至主梁跨中时，该门机金属结构系统的前六阶模态振型图，当起重小车运行至主梁悬臂端时，结构系统的前六阶振型与小车位于主梁跨中时的振型表现一致，此时门机金属结构系统的前六阶振型如图4所示。

表1 门机金属结构系统各阶固有频率

图3 起重小车位于主梁跨中时门机金属结构系统各阶振型图

图4 起重小车位于主梁悬臂端时门机金属结构系统各阶振型图

从图3和图4给出的前六阶模态振型图可以看出，当起重小车运行至主梁跨中和悬臂端时：第一阶模态振型均为整机结构沿水平横向方向的振动；第二阶模态振型均为整机结构在水平方向的弯曲振动；第三阶模态振型均为整机结构沿水平纵向方向的振动；第四阶模态振型均为整机结构沿垂直方向的振动；第五阶模态振型均为整机结构在水平方向的扭转振动；第六阶模态振型均为主梁的弯曲振动。另外，从表1和图3、4的结果可以看出，随着阶数的增加，该门机金属结构系统的固有频率也会随之增加。按照国家标准[12]对门机动态特性的相关规定，当起重小车运行至主梁跨中时，其垂直方向满载固有频率应大于或等于2 Hz。从该门机金属结构系统的模态分析结果可以看出，其第四阶模态振型为整机结构沿垂直方向的振动振型，对应的固有频率值为3.033 Hz，大于国家标准中规定的2 Hz，因此，说明该门机的动态刚性满足国家相关标准的要求，但是也有一定的优化设计空间，可以在后续的结构改进过程中对其进行动态优化。

3 结束语

本论文基于有限元法，利用大型有限元软件ANSYS对某门机金属结构系统的固有频率和对应振型等动态特性参数进行了分析，通过分析得出如下结论：当起重小车运行至主梁跨中和悬臂端时，该门机金属结构系统对应的前六阶模态振型均表现一致。其中，第四阶模态振型均为整机结构沿垂直方向的振动，当起重小车运行至主梁跨中时，对应的固有频率值为3.033 Hz，说明其动态性能满足国家标准的要求。分析结果为该门机金属结构系统动态性能的优化提供了数据参考，也为其他同类结构的动态特性的分析及动态性能的优化提供了思路。

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Dynamic Characteristic Analysis of Gantry Crane Based on ANSYS

ZHAO Wentao，YU Feng，WU Wei，GUO Juncai，WANG Shuai，XIAO Keya，CHEN Pengji

( Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610213, China)

Taking a gantry crane as an example, its dynamic characteristic was analyzed based on ANSYS in this paper. It is concluded that mode shapes of the crane are same when the trolley is located in the middle of the girder and the cantilever end, among them, the fourth order mode is the vibration of structure in the vertical direction, the corresponding natural frequency value is 3.033Hz when the trolley is located in the middle of the girder, therefore, the crane’s dynamic characteristic meets the requirements of the national standard. The results provide basis for optimization of the crane’s dynamic characteristic.

ANSYS；gantry crane；dynamic characteristic

O242.21

A

1006－0316 (2018) 04－0027－05

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.04.007

2017－12－12

赵文涛（1974－），男，河南安阳人，本科，工程师，主要研究方向为机械设计制造及其自动化。