基于ANSYS的FP6010塔機動態特性分析

李文豪

摘 ?要：利用有限元法，以FP6010平頭塔機為研究對象，分析了其動態特性。通過分析得出以下結論：塔機的前六階的固有頻率值分別為：0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515;各階振型表現為：第一階振型反映了塔機繞塔身在水平面內的扭轉振動，第二階振型反映了塔機繞塔身根部固定點前后的彎曲振動，第三階振型反映了塔機繞固定點左右擺動，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內的彎曲振動，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動。分析結果為該起重機動態性能的優化奠定了基礎，為其他同類結構的設計提供了參考。

關鍵詞：有限元法;平頭塔機;動態特性;固有頻率;振型

0引言

塔機是一種經常啟動、制動和具有復雜耦合運動的建筑機械。工作時各機構頻繁地起動或制動引起強烈的振動和沖擊，并產生持續時間較長的衰減振動，這是塔機結構破壞的主要原因之一。近年來，隨著塔式起重機起升高度和工作效率的不斷提高，塔式起重機的振動問題也越來越突出。

1塔機有限元模型的建立

為了使建立的塔機結構動態分析模型更加合理準確，建模時須進行必要的簡化處理：①回轉支座相對塔機而言幾何尺寸小、剛度大、質量集中且不易失穩，可采用梁單元進行等效處理，減少塔機整體分析時的單元種類，避免了具有不同節點自由度的梁單元和板殼單元的連接問題，以便進行后處理分析;②塔身底部結構剛度大，與地腳螺栓相連，約束在底部4個節點的所有自由度;起重臂、平衡臂與回轉節連接處及拉桿與起重臂、平衡臂、塔頂連接處可視為鉸支座，采用耦合處理，僅釋放繞其銷軸轉動自由度，以反映其真實連接情況。

塔機部分桿件的材料選用Q235鋼材，即彈性模量E=201GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3，其他桿件材料選用Q345的鋼材，即彈性模量E=210GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3。由于塔機大多數桿件主要承受軸向力外還承受如彎矩、扭矩、剪切等內力，為提高建模的準確性，選用了考慮拉壓、彎曲和扭轉剛度的空間梁單元Beam188進行建模。平衡臂及起重臂拉桿選擇空間桿單元Link180單元模擬即可滿足分析要求。Link180是2節點3自由度的軸向拉壓三維桿單元，不考慮桿件的彎曲及扭轉變形，具有塑性、蠕變、大變形等多種特性。根據選擇的單元類型及定義的參數，采用命令流和GUI相結合的建模方法建立如圖1所示的塔機結構有限元模型，該模型由5845個單元和4922個節點組成。

2模態分析

ANSYS的模態分析是一線性分析，任何非線性特性（如塑性和接觸單元）即使定義了也將忽略。可進行有預應力模態分析、大變形靜力分析后有預應力模態分析、循環對稱結構的模態分析、有預應力的循環對稱結構的模態分析、無阻尼和有阻尼結構的模態分析。模態分析中模態的提取方法有七種，即分塊蘭索斯法、子空間迭代法、縮減法或凝聚法、PowerDynamics法、非對稱法、阻尼法、QR阻尼法，缺省時采用分塊蘭索斯法。塔機的前六階固有頻率為：（單位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515。

從模態振型圖可以看出塔機的第一階振型反映了塔機繞塔身在水平面內的扭轉振動，第二階振型反映了塔機繞塔身根部固定點前后的彎曲振動，第三階振型反映了塔機繞固定點左右擺動，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內的彎曲振動，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動。

3結論

基于有限元法，利用大型有限元軟件ANSYS對FP6010平頭塔機的動態特性進行了分析，通過分析得出如下結論：

塔機的前六階固有頻率為：（單位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515各階固有頻率都較低，且相差不大。

塔機的各階振型表現為：第一階振型反映了塔機繞塔身在水平面內的扭轉振動，第二階振型反映了塔機繞塔身根部固定點前后的彎曲振動，第三階振型反映了塔機繞固定點左右擺動，第四階振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的彎曲振動，第五階振型反映了吊臂和平衡臂在水平面內的彎曲振動，第六階振型反映了吊臂和平衡臂在變幅平面的彎曲振動。

參考文獻

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