基于Ansys的某升降裝置支撐平臺抗沖擊動力學分析

王海濤，趙 彬

（中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015）

0 引言

支撐平臺是某升降裝置主要承力部件，用于在運行過程中支撐轉(zhuǎn)運載荷進行升降運動。該支撐平臺采用桁架結(jié)構(gòu)，選用鋁合金材料焊接而成，上表面設置平板，用于承載轉(zhuǎn)運對象，支撐平臺本體4個角設置提拉鋼絲繩的安裝接口。該升降裝置作為船舶設備，在工作過程中除承受轉(zhuǎn)運載荷外，還可能承受沖擊載荷作用，根據(jù)艦船環(huán)境條件要求，需要考慮其抗沖擊能力[1]，設備抗沖擊能力可通過動力學分析方法進行計算。

動力學分析方法是基于結(jié)構(gòu)振動模態(tài)迭加的分析方法[2-5]，支撐平臺可簡化為承受給定沖擊輸入的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)，通過有限元模型得到模態(tài)振型，進而通過對各階模態(tài)解的合成可以得出設備的位移和應力，最后將這些位移和應力的計算值與規(guī)定的許用值進行比較，確定該支撐平臺是否滿足抗沖擊要求。

本文以該升降裝置支撐平臺為研究對象，通過建立該支撐平臺的ProE三維有限元模型（圖1），在Ansys Workbench 對其進行三維模態(tài)分析的基礎上，采用抗沖擊動力學分析方法對支撐平臺進行計算，以檢驗該支撐平臺是否符合抗沖擊要求。

圖1 某升降裝置支撐平臺實體模型

1 模態(tài)分析意義

模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性[6-7]。每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型，其與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布、剛度特性、約束形式和預應力狀態(tài)有關，而與外界的激勵沒有任何關系。模態(tài)是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動后，會以特定的頻率發(fā)生振動，且振動的形狀（振型）也始終是和特定頻率保持唯一對應。若結(jié)構(gòu)是單自由度系統(tǒng)，那么特定的振動頻率只有1 個，二自由度系統(tǒng)對應的特定振動頻率就有2個。因此，如果結(jié)構(gòu)是無限自由度系統(tǒng)，就有無限多個特定的頻率，每個特定振動頻率對應的狀態(tài)被稱為該階模態(tài)。當激勵頻率與特定頻率一致時，會激發(fā)出結(jié)構(gòu)該階模態(tài)對應的特征，如振型，這時也被稱為共振。模態(tài)分析的意義在于可以使結(jié)構(gòu)設計避免共振或者以特定的頻率進行振動。

2 抗沖擊動力學分析方法

2.1 動力學分析方法

動力學分析計算主要是確定支撐平臺在給定沖擊方向危險區(qū)域的沖擊應力和位移。

動力學分析得到的沖擊應力應與支撐平臺運行時受到的連續(xù)工作應力進行綜合，但不需要考慮重力作用、螺栓緊固預應力和斷續(xù)工作應力。因此本文只考慮支撐平臺計算所得的沖擊應力、位移，將所得到的應力值與許用應力值進行比較，從而評估支撐平臺的抗沖擊性能。

2.2 模態(tài)選擇

對于給定沖擊方向的具有N 個自由度的數(shù)學模型，需分析足夠的振動模態(tài)數(shù)N，一般應保證總模態(tài)質(zhì)量不小于分析系統(tǒng)總質(zhì)量的80%。分析的模態(tài)中應包括模態(tài)質(zhì)量大于分析系統(tǒng)總質(zhì)量的10%的所有模態(tài)[8]。較低頻率的模態(tài)應優(yōu)先考慮。

2.3 沖擊環(huán)境

由艦船環(huán)境條件要求可知，支撐平臺應滿足如表1 所示的沖擊環(huán)境對應的沖擊加速度和速度設計值。彈性設計和彈塑性設計根據(jù)設備是否允許出現(xiàn)塑性變形來確定。A0、V0分別為設備不同模態(tài)質(zhì)量所對應各類安裝區(qū)域的沖擊譜加速度和譜速度，用下列公式計算。

對于I類安裝區(qū)域：

對于II類和III類安裝區(qū)域：

式中：ma為設備的模態(tài)質(zhì)量，t；Aa為標稱加速度譜，m/s2；Va為標稱速度譜，m/s。

設備具體的設計譜依據(jù)Aa和Va采用如表1 所示的系數(shù)計算。根據(jù)式（1）～（4）確定的V0和A0，取V0與A0中的小值為動力學分析系統(tǒng)在給定沖擊方向上的沖擊設計加速度。

表1 各類安裝區(qū)域A0、V0

2.4 計算模型

計算模型采用了梁單元 （beam188）、殼單元（shell181） 和實體單元（solid185），模型的坐標軸定義X 為縱向；Y 為橫向；Z 為垂向。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2 所示。支撐平臺本體有限元模型總質(zhì)量約為2 600 kg。

工作過程中，支撐平臺垂直方向由4 根鋼絲繩提拉，由于鋼絲繩有一定的彈性，能緩沖來自垂向的沖擊，因此本計算只計算縱向（X向）和橫向（Y向）兩個方向的沖擊。

圖2 支撐平臺有限元計算模型

2.5 工作載荷

支撐平臺如圖2所示，運行時額定載荷為6 000 kg。

2.6 邊界條件

支撐平臺4 根鋼絲繩部位施加固定約束，導向輪按其各自作用的方向分別對X和Y方向添加約束。

2.7 沖擊設計條件

按照三維動力學分析要求以及相應標準規(guī)定，支撐平臺進行沖擊設計分析的條件為設備抗沖擊等級為A 級；設備安裝位置為Ⅰ類安裝區(qū)域，進行彈性分析。

3 計算結(jié)果

3.1 支撐平臺設計加速度

不同方向沖擊時，支撐平臺所選模態(tài)的模態(tài)頻率、模態(tài)質(zhì)量以及設計加速度值如表2所示。為提高分析精度，在3個沖擊方向所選取的模態(tài)階數(shù)使總的模態(tài)質(zhì)量盡量大，都達到總質(zhì)量的80%。

表2 支撐平臺沖擊設計加速度

3.2 支撐平臺計算應力與位移

支撐平臺利用動力學分析計算所得的沖擊應力、位移結(jié)果如表3所示，其應力與位移云圖如圖3～8所示。

表3 升降平臺合成位移、應力值

圖3 支撐平臺上部面板橫向沖擊應力圖

圖4 支撐平臺底架橫向沖擊應力圖

圖5 支撐平臺橫向沖擊位移圖

圖6 支撐平臺上部面板縱向沖擊應力圖

圖7 支撐平臺底架縱向沖擊應力圖

圖8 支撐平臺縱向沖擊位移圖

由表3以及圖3～5可知，支撐平臺橫向沖擊時，最大位移為2.6 mm，最大應力為66 MPa。由表3以及圖6～8可知，支撐平臺縱向沖擊時，最大位移為6.4 mm，最大應力為133 MPa。由結(jié)果分析可知，支撐平臺在承受兩個方向沖擊作用下時，支撐平臺上面板和支撐平臺底架的最大應力為133 MPa，小于支撐平臺材料的屈服強度240 MPa。由此可知，兩個方向沖擊時，支撐平臺的沖擊安全性滿足要求。

4 結(jié)束語

本文通過ANSYS動力學分析模塊對某船用升降裝置支撐平臺進行抗沖擊動力學計算和分析，計算結(jié)果表明，該支撐平臺在船上I 類安裝區(qū)域的抗沖擊性能可以保證其結(jié)構(gòu)強度，即機械結(jié)構(gòu)不會發(fā)生塑性變形和失效。