10 t橋式起重機主梁結構動態特性分析研究

劉海強， 趙堅， 洪學武， 高志鵬， 王達， 賀藝龍， 范賢安

（天津城建大學控制與機械工程學院，天津 300384）

0 引言

橋式起重機是重要的裝載起重設備，廣泛應用于車間、港口等場所，大大提高了生產效率[1]。主梁是橋式起重機的主要承載部分，工作時吊重的頻繁起降和大、小車的頻繁啟動制動，極易引起主梁的劇烈振動，影響橋式起重機的吊裝精度和工作效率，也對生產安全造成嚴重威脅[2]。在設計階段對主梁進行模態分析獲得固有頻率和振型，能夠有效評估結構的動態性能，再通過結構優化可以在工作頻率范圍避免共振[3]。

有限元法[4]解決了傳統解析法設計橋式起重機主梁的局限性，能全面地對起重機主梁按實際工作的結構邊界條件進行定量的分析[5]。本文使用SolidWorks軟件建立了10 t橋式起重機箱型主梁的三維實體模型，利用有限元分析軟件ANSYS建立有限元模型，并分別進行自由模態和約束模態分析。

1 模態分析理論

橋式起重機主梁是一個多自由度系統，視作n個單自由度系統的總和，其振動系統的運動方程為

式中：M、C和K分別為系統的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；f是作用力向量分別表示加速度、速度和位移列向量，其分量分別為各個自由度的廣義加速度、速度和位移。

橋式起重機主梁為機械結構，其阻尼較小，可用實模態理論分析。討論系統的固有頻率和振型，先忽略阻尼和外力，其自由振動運動方程[6]為

不妨假定當系統偏離平衡位置做無阻尼自由振動時，存在一種各坐標xi作同頻率ωi同相角θ的簡諧振動：xi=φisin（wit+θ），代入式（2），再解系統的特征方程得到n個特征值λi及對應的特征向量φi。將n個特征向量組成矩陣：

對系統方程（2）解耦，作坐標變換：x=Φq。由特征向量的正交性有：

則式（2）可表示為

式（6）為式（2）的解耦形式。在廣義坐標q下，各自由度運動方程獨立：第i階模態振動的固有頻率ωi、特征值λi和模態質量mi及剛度ki存在關系：

系統各自由度在作頻率ωi的同相角振動時，其振幅比為第i階固有振型。

2 主梁有限元模型

2.1 建立實體模型

本文研究的橋式起重機主梁[7]為箱型結構，它主要由上下兩塊蓋板、左右兩塊腹板和若干隔板及加強筋組成。利用三維制圖軟件SolidWorks建立箱型主梁的實體模型，如圖1所示。

圖1 橋式起重機箱型主梁實體模型

其主要參數為：材料為Q235；額定起重量為10 t；跨度為22.5 m；主梁寬度為546 mm；主梁高度為1353 mm；上下蓋板均為12 mm；左右腹板均為10 mm[8]。

2.2 建立有限元模型

結構的質量分布與剛度決定了固有頻率和模態振型（見式（8）），為了減少有限元模態分析計算量[9]，建模時可將結構中的細小部分忽略[10]，這樣不會對計算結果有較大影響。故建模時簡化了主梁翼緣板伸出端梁部分的焊接板、主梁上的小車軌道和起輔助穩定作用的小加強筋及箱內縱向加強筋。

圖2 橋式起重機箱型主梁有限元模型

將主梁的簡化實體模型導入ANSYS，采用體單元20SOLID95進行自由智能網格劃分[11]，得到單元個數為81 563，節點個數為162 656，建立的有限元模型[12-13]如圖2所示。材料參數：彈性模量為206 GPa；泊松比為0.3；密度為7800 kg/m3。

3 主梁有限元模態分析

3.1 自由模態分析

橋式起重機主梁的自由模態是其自由振動的固有特性[14]，在進行自由模態有限元分析時，不考慮任何激勵，也不施加任何約束。通過自由模態分析可以得到主梁各個部分振動的強弱分布，由ANSYS后處理的振型動畫能直觀地看到主梁的剛度薄弱區域。計算主梁的自由模態（0～100 Hz范圍內），取前4階模態[15]結果見表1，振型見圖3～圖6。

表1 主梁自由模態前4階計算結果

圖3 主梁自由模態第一階振型

圖4 主梁自由模態第二階振型

圖5 主梁自由模態第三階振型

圖6 主梁自由模態第四階振型

由主梁的各階振型圖可知：第一階振型Z向彎曲擺動，最大變形發生在主梁兩端和腹板中部，應避免小車在主梁中部時對腹板施加的水平激勵；第二階振型Y向彎曲變形，最大變形發生在主梁兩端和蓋板中部，應避免在主梁中部起吊對蓋板施加的豎直激勵；第三階振型發生扭轉變形，最大變形發生在接近主梁中部兩側的上蓋板，起重機吊重運動時極易在此處產生共振；第四階振型腹板發生水平方向變形，且變形量最大，最大振幅為0.037 mm。

3.2 約束模態分析

通過對主梁施加約束，約束模態分析反映了主梁工作時的振動狀態。實際工作時，主梁兩端橫跨在高大的鋼架或建筑上，做分析前對主梁兩端施加全約束。計算主梁的約束模態（0～100 Hz范圍內），取前4階模態結果見表2，振型圖見圖7～圖10。

表2 主梁約束模態前4階計算結果

圖7 主梁約束模態第一階振型

圖8 主梁約束模態第二階振型

圖9 主梁約束模態第三階振型

圖10 主梁約束模態第四階振型

對比主梁的自由模態和約束模態計算結果可知：1）約束模態的固有頻率整體小于自由模態的頻率，且隨著階次的增加，對應階次的頻率差值逐漸減小，約束模態的第四階頻率與自由模態幾乎相等。2）約束模態的各階振型與自由模態的振型一致，在主梁兩端施加約束的地方不同。3）第三階約束模態振型的扭轉變形比自由模態小，這是施加約束造成的。而且，各階自由模態振型的主梁中部變形量在0.015 mm左右，約束模態的為0.018 mm。4）由于施加約束，主梁整體的變形量減少。

4 結語

1）施加約束后，橋式起重機主梁的頻率整體向低頻發展，沒有出現等效剛度增加效應。這是因為約束引起主梁整體的剛度分布不均勻性增加，約束處的剛度增加而其它部位的剛度相對變差，由于主梁跨度大造成整體剛度減弱，最后導致約束模態頻率比自由模態低。

2）從主梁的各階振型可知，主梁的腹板是結構的薄弱區，可以通過結構優化提高主梁的整體振動特性。

3）在實際工作時，盡量將大車運行的水平激勵避開第一階模態頻率；將起吊激勵避開第二階模態頻率；將載重運行的激勵避開第三階頻率。

4）運用有限元法，得到了主梁自由模態和約束模態的固有頻率及對應振型，找到了結構的薄弱環節，給主梁結構的優化設計提供了數據，縮短了設計周期。

［參考文獻］

[1] 張玉琴,馮山嶺,張淑紅.橋式起重機的動力學模型與仿真計算[J].重型機械科技,2005(3)：1-4,43.

[2] 施科益.基于經驗模態分解的橋式起重機振動模態分析[J].中國特種設備安全,2014(4)：21-25.

[3] 董杰,程文明,漆靜.門式起重機起升過程動態特性研究[J].機械設計與制造,2014(6)：79-83.

[4] 郗永磊,劉勇.基于ANSYS的橋式起重機結構動力學分析[J].建材世界,2017(2)：88-90,99.

[5] 程文明,李亞民,張則強.橋式起重機與門式起重機輕量化設計的關鍵要素[J].中國工程機械學報,2012(1)：41-49.

[6] 劉曰奇,薛偉.基于有限元的箱型橋式起重機主梁模態分析[J].森林工程,2012(2)：54-57.

[7] 楊明亮,徐格寧,常爭艷,等.基于有限元法的橋式起重機橋架模態分析[J].機械科學與技術,2012(1)：135-137.

[8] 王軍,杜壯,王文娜,等.基于ANSYS的橋式起重機主梁三維有限元分析[J].河北工業科技,2010(6)：361-363,377.

[9] 黃濤,王濤,楊先勇,等.橋式起重機橋架的三維有限元分析[J].武漢科技大學學報,2009(6)：623-626.

[10] 凌波,王璽,李東.基于ANSYS和數值解法的橋式起重機主梁優化方法比較[J].機械工程師,2017(1)：101-103.

[11] 劉繼鵬,胡蓮君,姜少偉.基于ANSYS的某種新型導軌滑塊的拓撲優化[J].機械工程師,2016(8)：27-29.

[12] 焦洪宇,周奇才,李英,等.橋式起重機輕量化主梁結構模型試驗研究[J].機械工程學報,2015(3)：168-174.

[13] 楊金堂,周詩洋,李公法.基于ANSYS的橋式起重機橋架結構有限元分析[J].武漢科技大學學報,2011(3)：219-222.

[14] 秦東晨,齊玉紅.基于ANSYS的30t橋式起重機主梁結構優化設計[J].礦山機械,2011(5)：46-49.

[15] 趙廣立,楊瑞剛,徐格寧,等.基于Pro/E三維建模的橋式起重機橋架有限元分析[J].起重運輸機械,2011(1)：8-11.