基于有限元法的DP700型架橋機(jī)振動特性分析

谷欣，鄒琳，劉宏偉，孫志才

（武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，湖北武漢430024）

基于有限元法的DP700型架橋機(jī)振動特性分析

谷欣，鄒琳，劉宏偉，孫志才

（武漢市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所，湖北武漢430024）

以DP700型架橋機(jī)為研究對象，運用ANSYS分析軟件對架橋機(jī)進(jìn)行繪制三維橋梁實物圖，創(chuàng)建實體模型后，對其進(jìn)行受力分析得到相對應(yīng)的模態(tài)分析圖及模態(tài)振幅。通過對架橋機(jī)的主梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，獲得最佳的參數(shù)值，為該起重機(jī)的設(shè)計與虛擬樣機(jī)的研究、探索提供了相對應(yīng)的理論與技術(shù)指導(dǎo)和支持。

架橋機(jī)；振動特性；有限元

目前，國內(nèi)架橋機(jī)結(jié)構(gòu)形式分為單臂和雙臂，按走行方式可分為輪軌式和步履式。主梁結(jié)構(gòu)形式可分為板拼箱梁結(jié)構(gòu)和桁架結(jié)構(gòu)，分為帶配重過孔和不帶配重過孔，如圖1的縱移過孔結(jié)構(gòu)圖。該架橋機(jī)的體積比較大，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，重量大，安裝、運輸及改進(jìn)比較困難。因此，本文對架橋機(jī)的主梁進(jìn)行了有限元的模態(tài)分析，計算出該架橋機(jī)的結(jié)構(gòu)框架、材質(zhì)及受力情況等，并對其進(jìn)行模擬改進(jìn)，可以大大節(jié)省時間、成本，避免了因物理樣機(jī)的不足而改進(jìn)的浪費，縮短了構(gòu)建產(chǎn)品的開發(fā)周期及降低研發(fā)成本。

圖1DP700型架橋機(jī)縱移過孔狀態(tài)

1 拼裝DP700型架橋機(jī)的有限元建模

1.1 結(jié)構(gòu)建模

當(dāng)運用ANSYS軟件對架橋機(jī)的主梁進(jìn)行建模時，因為架橋機(jī)的尺寸大，所以在建模時需要運用大量的點、線、面。對主梁建模時，為了節(jié)省工作量，采取自底向上和自頂向下同時運行的建模方式進(jìn)行主梁的實體建模方式。架橋機(jī)的外形模擬圖[如圖2所示。

圖2 架橋機(jī)的外形模擬圖[1]

自底向上的建模方式是在構(gòu)建三維實體模型時，從低級的圖元開始向較為高級的圖元建模，即從點、線、面、體一級一級的遞升；而自頂向下的建模方式是直接從高級的圖元開始建模，高級圖元建立成功時有限元的低級圖元會自動生成。

在不同的工作狀態(tài)下，架橋機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)所受到的載荷也不相同，在不同的工作狀況下要對架橋機(jī)進(jìn)行不同的研究分析。根據(jù)主梁的結(jié)構(gòu)特點，先對主梁及整體進(jìn)行ANSYS建模，如圖3所示。

圖3 架橋機(jī)主梁模型圖

1.2 參數(shù)設(shè)定

由于節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)的材料選用了Q345，對其進(jìn)行建模時，設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)：

彈性模量EX=200 GPa；

泊松比PRXY=0.3；

密度DENS=7 800 kg/m3.

1.3 網(wǎng)格劃分

ANSYS軟件有自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分兩種模型劃分方法。自由網(wǎng)格劃分對幾何模型和單元形狀的限制小，但單元形狀受到映射網(wǎng)格劃分的限制，同時幾何模型要有相應(yīng)的規(guī)則。映射網(wǎng)格只能是四邊形或者三角形的單元，映射體網(wǎng)格只能是六面體的單元。

模型和單元的形狀受到映射網(wǎng)格劃分的限制，但架橋機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此不適合該方法。采用對幾何模型和單元形狀都沒有特定限制的自由網(wǎng)格劃分對架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的實體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。“SmartSize”的控制尺寸設(shè)定為5，網(wǎng)格劃分時的幾何模型的類型設(shè)定為“Volumes”，單元的形狀設(shè)置為“Tet”.劃分完網(wǎng)格之后，獲得節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)主梁結(jié)構(gòu)ANSYS模型的網(wǎng)格劃分圖。

2 主梁的模態(tài)分析

2.1 施加載荷及約束處理

運用模態(tài)分析獲得架橋機(jī)結(jié)構(gòu)的振動性能，在對節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)的模擬加載時，必須要考慮到在空載狀態(tài)時主梁結(jié)構(gòu)的受力狀況。

當(dāng)節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)的主梁在空載狀態(tài)時，只承受到架橋機(jī)支柱的約束和主梁結(jié)構(gòu)自重的作用。對架橋機(jī)的主梁進(jìn)行有限元分析時，選擇“自由度約束”下的位移約束，其加載形式是面接觸。

2.2 擴(kuò)展模態(tài)及求解

載荷加載完成，進(jìn)行下一步的ANSYS軟件的求解。在此設(shè)定模態(tài)分析，并選擇分塊蘭索斯法特征值求解器。該方法運用Lanczos算法對其進(jìn)行遞歸運算，并要保證其相對同的精度，相對其他算法，Lanczos算法相對較快，可以用來計算大型結(jié)構(gòu)的多階模態(tài)。

在有限元的后處理中獲得各階的振型，需對模態(tài)進(jìn)行擴(kuò)展。這需要將提取的模態(tài)數(shù)量和模態(tài)擴(kuò)展的數(shù)量都設(shè)定為10階，運用默認(rèn)的質(zhì)量矩陣形成方式。因為主梁沒有預(yù)應(yīng)力，在模態(tài)分析式要關(guān)閉于永利效應(yīng)。求解結(jié)束，保存獲得的分析數(shù)據(jù)。

2.3 結(jié)果分析

通過對架橋機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，獲得了節(jié)段拼裝DP700架橋機(jī)的主梁的前10階模態(tài)的固有頻率及振型。如下表1所示。

表1 前10階模態(tài)的主振型及頻率

節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)主梁的10階模態(tài)的各階主振型和位移變形圖如下圖4所示。

圖4 架橋機(jī)主梁的10階模態(tài)

通過對架橋機(jī)的ANSYS分析，還獲得了在X、Y、Z三個方向上主梁10階模態(tài)的最大振動位移值和合位移極值，其數(shù)值如表2所示。

表2 各階振動位移最大值

在無載荷狀態(tài)下，主梁的前10階模態(tài)的各階最大應(yīng)力值如表3所示。

表3 前10階模態(tài)主梁內(nèi)部應(yīng)力最大值

由表2可以看出，節(jié)段拼裝DP700架橋機(jī)的主梁結(jié)構(gòu)在前10階模態(tài)下的三個方向的振動變形位移的最大值均非常小，最大值也不超過1.5 mm，其中合位移的最大值也很小。

由表3可以看出，在無載荷狀態(tài)下，該架橋機(jī)的前10階模態(tài)的最大應(yīng)力值均很小，在第10階模態(tài)時所產(chǎn)生的值為最大值，但其值也均小于3×105Pa.

3 結(jié)束語

本文通過對節(jié)段拼裝DP700型架橋機(jī)的主梁進(jìn)行了三維實體繪制，并對其進(jìn)行了有限元的單元類型的選擇、參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)格劃分。對主梁的模態(tài)進(jìn)行分析通過施加載荷及約束處理、擴(kuò)展模態(tài)及求解，獲得了前10階模態(tài)的固有頻率及振型和各階主振型與位移變形圖，得到了相對應(yīng)的10階模態(tài)的最大振動位移值、合位移極值和各階最大應(yīng)力值。從中得到了結(jié)構(gòu)固有頻率值具有上升的趨勢，主振型是在架橋機(jī)的前部與中部發(fā)生。

[1]周超，萬金鎮(zhèn)，鄭健.基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的起重機(jī)箱形結(jié)構(gòu)焊縫疲勞強(qiáng)度分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2013（5）：232-234.

Analysis of DP700 Bridge Erecting Machine Vibration Based on Finite Element Method

GU Xin，ZOU Lin，LIU Hong-wei，SUN Zhi-cai
（Wuhan Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Wuhan Hubei 430024，China）

The DP700 type bridge machine as the research object，the use of drawing 3D bridge erecting machine on the physical map analysis software of ANSYS to create a solid model，stress analysis by modal analysis and modal amplitude diagram corresponding to its.Through the analysis of the structure of main girder erecting machine，obtain the optimum values of the parameters，provides the corresponding theoretical and technical guidance and support for the research and design of the crane and the virtual prototype of the exploration.

bridge machine；vibration characteristics；finite element

TH215

A

1672-545X（2017）03-0090-03

2016-12-20

谷欣（1982-），男，湖北武漢人，工程師，本科，主要從事特種設(shè)備檢驗。