基于ANSYS的施工升降機井架結構的有限元分析

【摘 要】本文在充分考慮了能代表井架結構實際承載狀態的載荷分布的情況下，利用ANSYS軟件對施工升降機井架結構進行了結構靜力分析和模態分析，后處理得出的應力、應變云圖，為升降機井架結構的強度設計提供了參考；得出的固有頻率和振型為井架結構提供了具體的動載荷參數，同時也可為探求同類結構的動力學特性提供一些有用的參考。

【關鍵詞】升降機井架；ANSYS；有限元

升降機井架是最主要的承載結構部件，其質量在結構總質量中所占比例最高，且對其他結構影響較大。因此，考慮升降機在上、下運輸人或物時，尤其在啟動、停車階段，井架結構將受到比靜載荷大得多的動載荷影響，極可能出現在動態載荷作用下的結構振動失穩現象，破壞升降機的性能。鑒于此，本文對升降機井架進行了模態分析。

1.建立有限元模型

傳統的工程計算方法誤差較大，而三維有限元分析軟件ANSYS解決了這種計算上的不足，使其既有利于理論分析計算，又能滿足工程上的精度要求。

根據施工升降機井架的結構特點，在ANSYS中可利用梁單元來模擬施工升降機的結構，在建立模型時做以下兩點處理：（1）井架立柱、水平桿和斜拉桿的每個連接點根據實際尺寸都建立了節點，保證有限元模型與井架在幾何上的相同。（2）井架底部結構剛度很大，又與地基用地腳螺栓相連，認為在底部能承受彎矩，即假定它是固接支座；附著裝置通過銷軸與井架相連，連桿以梁單元處理，根部與墻身的連接作為固接支座。

以本研究所研制開發的SSD100型曳引式施工升降機為例進行分析。該升降機選用鋼材的彈性模量EX=210GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7800kg/m3，井架主要鋼結構件選用的截面尺寸如圖1所示。在ANSYS中建立的井架模型（取井架搭設高度12m，附著高度9m為例）如圖1所示，模型共有節點42個，單元91個。

2.井架結構靜力學分析

2.1加載及求解

結構靜力學分析主要用于仿真施工升降機井架的受載荷狀態，得出靜載荷作用下井架的應力分布、滿載變形程度，從而分析各部件是否具有與額定載荷和工作條件相適應的強度。在滿載的實際工況下，井架所承受的載荷除自重外，還有各種外加載荷，它通過天梁作用于井架頂部。根據圖1計算模型，用定義材料密度和加重力加速度的方式來模擬井架的自重，滿載載荷1000N分布在井架頂部對角節點上。完成加載約束、定義分析類型等前處理后，即可開始有限元求解。

2.2結果分析

滿載情況下施工升降機井架結構位移云圖和應力云圖。

由云圖分析可知，井架承載以Z向位移為主，且頂部4個節點的位移值最大，其最大位移為2.758mm（如圖2所示）；井架四根立柱為主要承載桿件，截面最大應力為129.63MPa，Q235的許用應力為235MPa，強度滿足要求（如圖3所示）。由有限元分析結果的應力和應變分布情況得出的最大應力和變形出現的位置與實際情況相符，說明該有限元分析求解結果是科學、可靠的，可為施工升降機井架結構的設計提供參考。

１－井架立柱；２－水平桿；

３－水平桿；４－附著拉桿。

3.1模態分析基本理論

模態分析用于確定井架部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，其分析結果可作為其他動力學分析的基礎。振動不但可能造成升降機結構的疲勞破壞，還會產生共振和噪聲，因此井架結構振動特性的優劣對整個升降機的性能有重要影響，必須對升降機井架進行模態分析。

典型的無阻尼模態分析求解的基本方程是特征值問題：([K]-ω2[M]){φ}={0}

式中：[K]—剛度矩陣；[M]—質量矩陣；ω— 振動固有頻率；{φ}—節點位移列陣

模態分析的實質就是計算該特征方程的特征值ωi及其對應的特征向量{φi}。

3.2加載及求解

在ANSYS中模態分析唯一有效的“載荷”是零位移約束，因此為了模擬實際情況把節點1、2、3、4 （見模型圖1）的自由度全部約束，用定義材料密度和加重力加速度的方式來模擬升降機井架的自重。采用Block Lanczos方法求解，它使用了一個稀疏矩陣求解器，其求解收斂速度與求解低階頻率時基本一樣快，特別適用于大型對稱特征值求解問題。低階固有頻率對系統的動力學相應影響較大，而高階固有頻率影響較小，所以對其而言只需提取其低階固有頻率就能很好的反映系統動力特性。

3.3模態計算結果分析

1）當系統的固有頻率與激勵頻率一致時，將會發生共振。表1中數據意味著當外部激勵頻率接近表中數據時，會產生很高的動應力，造成結構的破壞或產生不允許的變形?？赏ㄟ^修改設計，改變整機振動出現的頻率

范圍，防止發生共振。

2）通過對前六階振型分析可以得出以下幾點結論：

井架結構的一階振型是架身繞固定點左右搖擺振動；二階振型是架身繞固定點前后搖擺振動；三階振型是架身繞固定點在水平面內扭轉振動；四階振型是架身左右彎曲振動；五階振型是架身前后彎曲振動；六階振型是架身在水平面內彎扭組合振動。

4.結束語

本文在建立施工升降機井架結構的有限元模型的基礎上，充分考慮了能代表井架結構實際承載狀態的載荷分布，由有限元分析后處理得到的應力和變形大小及分布情況不僅可為升降機井架結構的強度設計提供參考，同時可作為升降機井架承載能力可靠性評估的研究基礎。 [科]

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