基于有限元法的岸边起重机模态分析

林利芬 陈淑玲 肖浩

摘 要：利用Femap&NX Nastran有限元法对岸边起重机的建模和约束进行探讨，并在此基础上对岸边吊机结构进行有限元模态分析，得出了各阶模态下主梁的固有频率和固有振型，从动态刚性对该起重机的设计进行评价。

关键词：岸边起重机;吊机;Femap&NX Nastran;模态分析

0    引言

TSJ160岸边起重机是为某工程岸边取梁专门设计的固定式悬臂吊机，自重约200 t，最大吊重160 t，主要由起升小车、主梁、立柱、吊挂、锚固、爬梯等部件组成。

机械振动对岸边起重机的影响主要体现在其结构的动态刚性上。对起重机的动态刚性一般不作要求，但用户从起重机使用条件考虑对此有要求，或从起重机设计角度考虑认为对此性能有要求时，则需进行校核[1]。本文利用Femap&NX Nastran有限元法，对岸边起重机的建模和约束进行探讨，并在此基础上对其固有频率和振型进行分析，希望对固定式悬臂吊机的设计和使用提供一些帮助。

1    模态分析理论

模态分析是用来确定结构的振动特性的一种技术，通过它可以确定自然频率、振型和振型参数，即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动[2]。利用有限元分析软件Femap&NX Nastran建立有限元模型，并对其进行模态分析，可以确定结构的固有频率和振型。

2    有限元模型建立

2.1    TSJ160岸边起重机性能及参数

起重能力：最大悬臂10 m，最大起重量160 t;起升速度V=1.7 m/min;岸边吊机自重约197 t。悬臂端起吊时，由于需要调整吊挂的位置，起重小车需要经历启动、制动、再启动、再制动的过程。该起重机起升电机为变频电机，整个启动、制动过程需要24 s，工作频率为0.041 6 Hz。

2.2    有限元模型

采用有限元计算软件Femap&NX Nastran建立岸边吊机有限元模型，岸边吊机上部为两层的桁架梁，下部立柱为由板材焊接而成的桁架结构，主梁和立柱均采用梁单元模拟。图1为岸边起重机有限元模型[3]。

约束条件说明：立柱与地面之间通过预埋的高强螺栓锚固，立柱与地面为固定连接。

岸边吊机上部为起重天车，起重天车以质量单位（Mass）形式添加在车轮与上弦杆的接触处。

3    岸边起重机的模态与振型

基于桁架模型的岸边起重机为低频振动系统，起升小车的卷扬机为慢速卷扬机，慢速起升和慢速下降时容易引起结构共振。考虑岸边起重機的动态响应主要取决于岸边吊机结构的前几阶频率，对其结构的前八阶模态进行分析，用于确定不同类型的动力载荷对结构的影响。

如图2所示，第一阶模态和第二阶模态固有频率与固有振型反映了岸边吊机的水平方向和竖直方向摆动，可由风载荷和吊重及重物偏摆等原因激励起振。第一阶模态反映的是反向水平弯曲振动，频率为0.086 7 Hz;第二阶模态反映的是竖直方向振动，频率为0.215 8 Hz。

如图3所示，第三阶模态和第四阶模态固有频率与固有振型反映了岸边吊机主梁上下扭转摆动，可由吊重偏载等原因激励起振。第三阶频率为0.216 2 Hz，第四阶频率为0.253 9 Hz。

如图4所示，第五阶模态和第六阶模态固有频率与固有振型反映了岸边吊机主梁和主梁平联的水平方向对称弯曲摆动。第五阶模态反映主梁水平方向对称弯曲振动，频率为0.255 6 Hz;第六阶模态反映的是主梁平联水平对称弯曲振动，频率为0.283 4 Hz。

如图5所示，第七阶模态和第八阶模态固有频率与固有振型反映了岸边吊机主梁和主梁平联水平方向和竖直方向同向摆动。第七阶模态反映主梁水平方向同向弯曲振动，频率为0.296 8 Hz;第八阶模态反映主梁平联同向弯曲振动，频率为0.322 2 Hz。

4    结论

（1）本文利用大型有限元分析软件Femap&NX Nastran对岸边起重机结构进行模态分析，展示了岸边起重机结构固有振动形态并预测其动态特性，明确了引起振动的原因。

（2）准确地计算出结构的固有振型，并以图像形式展现。

（3）由模态分析的结果可知，岸边起重机典型工作频率可避开前几阶固有频率。

[参考文献]

[1] 起重机设计规范：GB/T 3811—2008[S].

[2] 钢结构设计规范：GB 50017—2003[S].

[3] 林利芬，肖浩.基于Femap with NX Nastran的MD300-28金属结构分析[J].科协论坛（下半月），2012（7）：45-46.

收稿日期：2021-05-13

作者简介：林利芬（1979—），女，湖北武汉人，硕士研究生，副教授，研究方向：CAD/CAM一体化技术。