岸邊起重機結構瞬態動力學分析

林利芬， 肖浩

（1.武漢軟件工程職業學院，武漢430205；2.中交二航局第四工程有限公司，安徽蕪湖241007）

0 引言

TSJ160岸邊起重機是為某工程岸邊取梁專門設計的固定式懸臂吊機。吊具自重約200 t，最大吊重160 t。主要由：起升小車、主梁、立柱、吊掛、錨固、爬梯等部件組成。

岸邊吊機在懸臂端取梁，然后把梁塊運送到尾部，再把梁塊放到移梁臺車上，小車繼續開到懸臂端；在此過程中，梁塊需要準確地抓取和堆放，起升小車反復地啟動和制動，引起底部錨固螺栓軸力的周期變化。本文利用Femap&NX Nastran有限元法，對懸臂端起吊過程進行瞬態動力學分析，得到底部錨固螺栓的軸力變化規律，希望對固定懸臂吊機的設計和使用提供一些幫助。

1 瞬態動力學理論

瞬態動力學（也稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷的結構的動力學響應的一種方法［1］，通過瞬態動力學分析，可以得到力、應力、應變隨時間變化的規律。在進行有限元法計算時，首先要建立激勵隨時間變化的函數。然后在指定的激勵點添加隨時間變化的載荷。

2 激勵隨時間變化函數的建立

圖1 啟動制動時間曲線

TSJ160岸邊起重機性能及參數：起重機最大懸臂10m，最大起重量160 t，起升速度為V=1.7 m/min，岸邊吊機自重約197 t。懸臂端起吊時，由于需要調整吊掛的位置，起重小車需要啟動、制動、再啟動再制動的過程，該起升電機為變頻電機，圖1為啟動制動時間曲線。根據啟動制動時間曲線可以得到激勵隨時間變化的函數，如圖2。其中縱坐標為激勵的變化因子，橫坐標為整個啟動制動過程。

圖2 激勵隨時間變化的函數

3 有限元模型建立

采用有限元計算軟件Femap&NX Nastran建立岸邊吊機有限元模型，岸邊吊機上部為兩層的桁架梁，下部立柱由板材焊接而成的桁架結構，主梁和立柱均采用梁單元模擬。圖3為岸邊起重機有限元模型。

圖3 岸邊起重機有限元模型

約束條件說明：立柱與地面之間通過預埋的高強螺栓錨固，立柱與地面為固定連接。

4 懸臂端起吊過程的瞬態動力學分析

在對懸臂端起吊過程進行瞬態分析前，首先對懸臂端起吊進行靜態分析，受拉錨固節點分別為：5 372、5 418、10 697、10 732；所受的靜態分析下的錨點拉力分別為1 140 346 N、1 105 961 N、1 111 070 N、1 130 182 N。

激勵隨時間變化的載荷為階躍載荷，由于響應滯后于施加的載荷，所以在發生階躍的時間點，需要較小的時間變量來表達載荷變化，時間變量的取值為0.08 s，小于1/（180f），f為振動頻率，岸邊吊機為鋼結構，阻尼系數取0.02［2］。圖4為錨固螺栓拉力時間響應曲線，橫坐標為響應的時間，共24 s，縱坐標分別為尾部錨固拉力節點 5 372、節點 5367、節點 10697、節點 10692上的拉力。

懸臂起吊過程中，尾部錨固的最大拉力分別為3 303 300 N、4 446 300 N、3 260 900 N、4 347 000 N，對應靜態分析下的錨固拉力倍數分別為2.89、4.02、2.93、3.85。故在岸邊起重機尾部錨固設計時，螺栓的安全系數應取到靜力下的4倍。

圖4 錨固螺栓拉力時間響應曲線

5 結語

1）本文利用大型有限元分析軟件Femap&NX Nastran對岸邊懸臂吊機在懸臂端的起吊過程進行有限元分析，研究了懸臂端起吊對尾部錨固的影響，得出了一些有意義的結論。

2）在進行固定式懸臂吊機設計時，應對尾部錨固重視。

［參考文獻］

［1］胡宗武.工程振動分析基礎［M］.上海：上海交通大學出版社，1999.

［2］王新敏.ANSYS工程結構數值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.