基于ANSYS的云梯车梯臂模态分析

冯 辉，农 权，孟 杰，，郭嘉璇，罗芸莹

(1.贵州詹阳动力重工有限公司，贵州 贵阳 550006；2.太原科技大学，山西 太原 030024)

0 引言

云梯车是一种可用于搬家、空调安装、搬运工程建筑材料、大件上楼等的高空作业车,因此又被称为云梯搬运车或云梯搬家车。其工作装置为梯架系统,其中包括运输货物的工作斗和云梯工作梯臂。而云梯工作梯臂是云梯车的核心关键装置,它的特有结构能够使得云梯车满足高空工作的需求。常开颜等[1]研究的对象是消防用云梯车,主要对梯架部分进行了三维建模,供仿真分析使用,又在软件Workbench中对承受外部瞬间载荷时梯架的动力学性能进行了分析。李善德等[2]运用预应力碳纤维加固技术对云梯车进行了优化,对梯架进行了静力学和模态对比分析。郑金城[3]分析了在有约束的情况下梯架系统的模态,从而得到了梯架系统的前8阶模态。史月[4]对云梯消防车臂架的静力学和动力学都作了分析,并提出了相应的优化方法。周磊[5]为了有效控制结构复杂的长臂架的振动,提出了一种主动减振控制方法,并通过仿真分析来验证该方法的有效性,结果显示臂架振动能够得到快速的衰减。史宗鹰[6]对梯架结构进行了仿真分析,并由此得出了梯架结构的低阶模态和对振动敏感的部位;通过拓扑仿真,对梯架的结构进行了优化。

本文以某型云梯车为研究对象,利用三维建模软件SolidWorks建立了梯臂模型,并利用ANSYS软件对其完全展开时的工作状态进行了模态分析,得到了梯臂的前10阶模态振型,为研究梯臂的振动提供了依据。

1 梯臂几何模型

该梯臂由7节主梯臂和1节辅臂组成,用SolidWorks软件分别对8节梯臂建模,并进行装配使其变成一个完整的云梯车梯臂。因主要对梯臂结构进行分析,故建模过程中简化了梯臂的结构,只将梯臂的侧梁、中间横梁以及斜梁进行建模,而忽略了对梯臂振动影响不大的装置,其中包括滑轮组、钢丝绳、减磨块组件、三角托架、吊耳和轴承等组件。图1为梯臂各部分模型及装配图,从固定梯臂到最前端梯臂分别为梯臂1～梯臂7。图1(b)为梯臂2～7的模型,后6节主梯臂的模型结构都相同,仅有尺寸参数有所不同。

图1 梯臂各部分模型及装配图

将建好的模型导入Workbench中进行仿真分析,由于云梯车的使用环境和自身结构的特点,梯臂的结构需要选用轻量高强度的铝合金材料。本文采用航空铝合金6061,其材料参数见表1。

表1 6061材料参数

工作斗及载重对梯臂的模态分析没有太大的影响,故将两者作为集中质量加载到梯臂顶端,工作斗的额定载荷为400 kg,再加上工作斗自身的重量,加到梯臂顶端的集中质量为500 kg(但实际模态分析的结果与集中质量无关)。划分网格时将网格的大小定为0.05 m,划分完网格后模型的网格总数量为138 860,网格节点数为464 410。

对梯臂的约束条件包括固定辅臂和梯臂1与回转机构的连接处,因高空作业时风力对梯臂的振动有很大的影响,考虑到云梯车的工作场所在建筑比较密集的城市地区,风力一般不会超过6级,风压与风速的关系如下:

q=0.613v2.

(1)

其中:q为计算风压;v为计算风速,根据蒲福风力等级表,6级风对应风速为10.8 m/s～13.8 m/s。

由式(1)可求得6级风对应的风压为71.5 N/m2～116.7 N/m2,因此在梯臂的整个上表面施加一个117 Pa的风压。

2 模态分析

经过网格划分和约束后的梯臂模型便可以进行后处理,选择对梯臂的前10阶模态进行分析计算,最终得到各阶模态的频率如表2所示,各阶模态所对应的振型如图2～图11所示。由计算得出的各阶振型可以看出:前3阶的模态振型都是臂架沿y方向的振荡,从第4阶开始梯臂出现大的扭转变形;其中辅臂的变形量是最小的,第1阶、第4阶、第5阶、第8阶、第9阶和第10阶时梯臂7的变形量最大,最大变形量分别达到了1.165 mm、2.872 9 mm、3.737 4 mm、1.692 2 mm、1.924 2 mm和2.609 3 mm;第2阶和第7阶时梯臂5的变形量最大,最大变形量分别达到了1.131 4 mm和1.694 mm;第3阶时梯臂6的变形量最大,最大为1.322 9 mm;第6阶的最大变形量为1.436 9 mm,处于梯臂3处。

表2 梯臂的各阶模态频率

图2 梯臂的1阶模态振型

图3 梯臂的2阶模态振型

图4 梯臂的3阶模态振型

图5 梯臂的4阶模态振型

图6 梯臂的5阶模态振型

图7 梯臂的6阶模态振型

图8 梯臂的7阶模态振型

图9 梯臂的8阶模态振型

图10 梯臂的9阶模态振型

图11 梯臂的10阶模态振型

由此可知,梯臂的前两阶模态频率都在1 Hz以内,前8阶模态的频率都控制在5 Hz以内。梯臂变形量最大的情况出现在第5阶模态时的梯臂7处,即最大变形量位于最顶端的一节梯臂处,且最大变形量在3 mm左右。

3 结论

云梯车工作过程中,受到外界的振动激励源主要有风载荷和发动机的激励,由于模态分析时考虑了风载荷的影响,因此重点考虑发动机传来的激励影响,云梯车工作过程中需要有持续的动力输入,发动机一直处于怠速状态,发动机任意转速的激励频率范围为23.3 Hz～28.3 Hz。当云梯搬家车正常作业时,梯架系统的前10阶固有频率都在6 Hz以内,与发动机的激振频率相差较大,不会出现共振现象,而阶数更高之后得到的固有频率又属于高频振动,一般不会被激发。因此经过模态分析可以判定梯架设计在正常工作情况下不存在共振的危险。