基于ANSYS的塔式起重機臂模態分析

肖輝 李超 楊代云

摘 要：為解決某型號塔式起重機起重臂變形彎曲失效故障，由此展開研究并建立了有限元軟件分析模型，分析現有起重臂在自身負載及其風載下變形彎曲的問題（原因）。以塔機臂為研究對象，進行模態分析，得出了其前六階的固有頻率以及振型。針對在轉動、起重過程中自身負載激勵以及風載激勵下塔機臂產生的振動變形現象，提出一系列改進方法，為該型號起重臂結構設計、振動源布置提供了理論計算依據。

關鍵詞：塔式起重機;起重臂;模態分析;振動變形

中圖分類號：TH213.3??????? 文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.007

0 引言

塔式起重機廣泛用于我國建筑行業，其工作效率高，對環境要求較低，配合變幅小車以及回轉臺，能在規定的最大起重重量和最高起吊高度構成的圓柱空間內快速轉運重物[1]。

塔式起重機不斷變幅起吊的過程中，在自身荷載激勵下，起重臂各構件會出現不同情況的變形，在不穩定風載激勵下會導致起重臂不同部分的振動變形，該種情況會影響其使用壽命，并存在安全隱患。當所受激振力的頻率與塔式起重機結構的某一固有頻率接近時，就有可能引起結構共振，最終會造成結構的強度破壞或者產生的變形超出允許值的范圍，使得塔機的性能受到較大的影響。

為解決某型號塔式起重機起重臂振動變形問題，構建該機型的有限元模型，通過對不同階數和頻率下起重臂的振型特點進行分析，了解其變形特點，為今后塔式起重機的改進設計提供理論依據。

1 建立有限元模型

1.1 構建三維塔機起重臂模型

起重臂由上弦桿和下弦桿通過之間的斜拉桿構成，各桿件通過螺栓連接，模型見圖1，在構建時忽略一些對模態結果影響不大的因素[2]。表1是各金屬構件的截面參數和構件類型。

1.2 ANSYSAPDL模態分析思路

利用有限元分析模型確定模態試驗的測量點、激勵點、支持點（懸掛點），參照計算振型對測試模態參數進行辯識命名。

利用試驗結果對有限元分析模型進行修改，利用有限元模型對試驗條件所產生的誤差進行仿真分析，如邊界條件模擬、附加質量、附加剛度所帶來的誤差，并對其進行消除。兩套模型頻譜一致性和振型相關性分析。利用模態分析模型在不同階數和頻率下，各構件發生的振動變形情況。

1.3 建立有限元模型的要點

有限元建模的總則是根據工程分析的精度要求，建立合適的能模擬實際結構的有限元模型。有限元建模應滿足平衡、變形協調、剛度等價以及構件傳力特點，以免構件失真。

邊界條件：在結構的邊界上必須嚴格滿足已知的位移條件。連接條件：在模型交界處必須妥善處理，滿足連接的剛度要求，讓模型不失真，進而得到更加準確的計算結果。

2 模態分析結果

2.1 約束方式

約束模態是把塔機起重臂一端固定，連接處通過剛性連接實現全約束，沒有位移[3]。

2.2 模態分析

通過有限元軟件對塔機起重臂模態分析計算，分為自由模態分析和約束模態分析，由振動理論可得，低階固有頻率對結構動態響應的影響要大于高階固有頻率的影響[4-5]。得出了該模型對應的前6階的固有頻率和相應的振型。塔機起重臂的固有頻率和振型屬于固有特性，與外荷載無關[6]。

對于第1階塔機起重臂振動變形主要在下橫梁尾端。

對于第2階兩種情況變形情況不一樣，變形最大處分別在斜拉桿和底部橫梁尾端。

對于第3階塔機起重臂最大位移處也分別在中間主橫梁中部和斜拉桿中部。

對于第4階，自由模態下構件主要是左右擺動，角度值偏幅最大的位置在底部主橫梁連接處，而約束模態下存在左右擺動和上下扭動，最大位移處在斜拉桿末端。

對于第5階兩種情況下的構件變形都比較大存在上下彎扭和左右擺動，最大位移處在頂部主橫梁連接處。

對于第6階，自由模式下上下彎轉的最大值在底部主橫梁，約束模態下有上下扭擺和左右擺動，主要位置分別位于下弦桿連接處和斜拉桿中部。各階對應的自由模態下的振型圖如圖2～圖7，約束模態下的振型圖如圖8～圖13所示。表2、表3為各階對應頻率。

塔機起重臂固有頻率和塔機實際收到的自身激勵以及外接激勵不能相同，也就是施加在塔機臂上的頻率要避開各階模態頻率，振動源功率和回轉下車的轉動速率以及風載都要考慮，以免引起共振，造成安全事故，所以求解各階結構模態具有重要意義。

3 改進方法

（1）在振動源頻率已知的情況下，前三階可以考慮改變結構構件的連接和截面尺寸。

（2）在已知起重臂固有頻率時，設置振動源要考慮到回轉小車轉動以及起吊重物的擺動引起的頻率變化。

（3）在約束模態下，下橫梁以及下橫梁連接處的振動變形尤為嚴重，設計時可著重考慮構件在工作下的性能發揮。

（4）風載對塔機整體的側向穩定影響很大，在風載強度超過一定強度時，有關管理人員要對其各項數據進行監督，確保其穩定運行。

（5）針對塔機抗風設計要求，可以對起重臂的部分結構進行合理的加強，塔基整體承受風載時，在保證其工作性能的基礎上減少壓差阻力。

4 結論

通過對某型號塔機起重臂的建模進行模態分析，了解其固有頻率與振型特點，對振動源的布置和輸出頻率的選擇以及后期對塔機的管理維修檢測有指導作用，利用有限元軟件對結構參數進行修改，以滿足其行業標準進行模態分析，了解其結構的可行性，對其后期優化改進具有重大意義。同時模態分析也對自由模態和約束模態的振型進行了對比，從振型圖上可以看出明顯的差異，因此，可以對塔式起重機在不同的約束形式下工作振動頻率進行分析，以便于總結出何種形式的約束更加接近實際工況，從而提出更加準確合理的設計方案和工作頻率，確保相關參數更加符合塔式起重機的設計要求。

參考文獻：

[1] 于蘭峰. 塔式起重機結構剛性及動態優化研究[D].成都：西南交通大學， 2006.

[2] 鮑會麗，孫紅巖，向雙云.基于ANSYS的塔機起重臂靜力學及模態分析[J].建筑機械化，2011，32（12）：44-46.

[3] 于洪柱. 基于ANSYS的平頭塔機臂架結構靜力分析[J]. 華電技術， 2018（11）：34-35+39+78.

[4] 張營章.動臂變幅塔式起重機動力學性能分析和仿真研究[D].天津：河北工業大學，2010.

[5] 顧永強，趙金磊.塔式起重機起重臂的振動分析及響應計算[J].內蒙古科技大學學報，2010，29（4）：351-354.

[6] 楊慧勇，殷晨波，姚克恒.基于ANSYS的塔機起重臂靜力學及模態分析[J]，2010，31（4）：53-56.

基金項目：湖南省大學生創新創業訓練項目，項目名稱：土建中塔式起重機的結構響應數值仿真研究，編號：S201910531021

作者簡介：肖輝（1998-），男，云南永善人，本科在讀，專業：土木工程。

通訊作者：楊代云（1990-），男，湖南吉首人，碩士，工程師，研究方向：結構設計。