基于ANSYS的云梯車梯臂模態分析

馮 輝，農 權，孟 杰，，郭嘉璇，羅蕓瑩

(1.貴州詹陽動力重工有限公司，貴州 貴陽 550006；2.太原科技大學，山西 太原 030024)

0 引言

云梯車是一種可用于搬家、空調安裝、搬運工程建筑材料、大件上樓等的高空作業車,因此又被稱為云梯搬運車或云梯搬家車。其工作裝置為梯架系統,其中包括運輸貨物的工作斗和云梯工作梯臂。而云梯工作梯臂是云梯車的核心關鍵裝置,它的特有結構能夠使得云梯車滿足高空工作的需求。常開顏等[1]研究的對象是消防用云梯車,主要對梯架部分進行了三維建模,供仿真分析使用,又在軟件Workbench中對承受外部瞬間載荷時梯架的動力學性能進行了分析。李善德等[2]運用預應力碳纖維加固技術對云梯車進行了優化,對梯架進行了靜力學和模態對比分析。鄭金城[3]分析了在有約束的情況下梯架系統的模態,從而得到了梯架系統的前8階模態。史月[4]對云梯消防車臂架的靜力學和動力學都作了分析,并提出了相應的優化方法。周磊[5]為了有效控制結構復雜的長臂架的振動,提出了一種主動減振控制方法,并通過仿真分析來驗證該方法的有效性,結果顯示臂架振動能夠得到快速的衰減。史宗鷹[6]對梯架結構進行了仿真分析,并由此得出了梯架結構的低階模態和對振動敏感的部位;通過拓撲仿真,對梯架的結構進行了優化。

本文以某型云梯車為研究對象,利用三維建模軟件SolidWorks建立了梯臂模型,并利用ANSYS軟件對其完全展開時的工作狀態進行了模態分析,得到了梯臂的前10階模態振型,為研究梯臂的振動提供了依據。

1 梯臂幾何模型

該梯臂由7節主梯臂和1節輔臂組成,用SolidWorks軟件分別對8節梯臂建模,并進行裝配使其變成一個完整的云梯車梯臂。因主要對梯臂結構進行分析,故建模過程中簡化了梯臂的結構,只將梯臂的側梁、中間橫梁以及斜梁進行建模,而忽略了對梯臂振動影響不大的裝置,其中包括滑輪組、鋼絲繩、減磨塊組件、三角托架、吊耳和軸承等組件。圖1為梯臂各部分模型及裝配圖,從固定梯臂到最前端梯臂分別為梯臂1～梯臂7。圖1(b)為梯臂2～7的模型,后6節主梯臂的模型結構都相同,僅有尺寸參數有所不同。

圖1 梯臂各部分模型及裝配圖

將建好的模型導入Workbench中進行仿真分析,由于云梯車的使用環境和自身結構的特點,梯臂的結構需要選用輕量高強度的鋁合金材料。本文采用航空鋁合金6061,其材料參數見表1。

表1 6061材料參數

工作斗及載重對梯臂的模態分析沒有太大的影響,故將兩者作為集中質量加載到梯臂頂端,工作斗的額定載荷為400 kg,再加上工作斗自身的重量,加到梯臂頂端的集中質量為500 kg(但實際模態分析的結果與集中質量無關)。劃分網格時將網格的大小定為0.05 m,劃分完網格后模型的網格總數量為138 860,網格節點數為464 410。

對梯臂的約束條件包括固定輔臂和梯臂1與回轉機構的連接處,因高空作業時風力對梯臂的振動有很大的影響,考慮到云梯車的工作場所在建筑比較密集的城市地區,風力一般不會超過6級,風壓與風速的關系如下:

q=0.613v2.

(1)

其中:q為計算風壓;v為計算風速,根據蒲福風力等級表,6級風對應風速為10.8 m/s～13.8 m/s。

由式(1)可求得6級風對應的風壓為71.5 N/m2～116.7 N/m2,因此在梯臂的整個上表面施加一個117 Pa的風壓。

2 模態分析

經過網格劃分和約束后的梯臂模型便可以進行后處理,選擇對梯臂的前10階模態進行分析計算,最終得到各階模態的頻率如表2所示,各階模態所對應的振型如圖2～圖11所示。由計算得出的各階振型可以看出:前3階的模態振型都是臂架沿y方向的振蕩,從第4階開始梯臂出現大的扭轉變形;其中輔臂的變形量是最小的,第1階、第4階、第5階、第8階、第9階和第10階時梯臂7的變形量最大,最大變形量分別達到了1.165 mm、2.872 9 mm、3.737 4 mm、1.692 2 mm、1.924 2 mm和2.609 3 mm;第2階和第7階時梯臂5的變形量最大,最大變形量分別達到了1.131 4 mm和1.694 mm;第3階時梯臂6的變形量最大,最大為1.322 9 mm;第6階的最大變形量為1.436 9 mm,處于梯臂3處。

表2 梯臂的各階模態頻率

圖2 梯臂的1階模態振型

圖3 梯臂的2階模態振型

圖4 梯臂的3階模態振型

圖5 梯臂的4階模態振型

圖6 梯臂的5階模態振型

圖7 梯臂的6階模態振型

圖8 梯臂的7階模態振型

圖9 梯臂的8階模態振型

圖10 梯臂的9階模態振型

圖11 梯臂的10階模態振型

由此可知,梯臂的前兩階模態頻率都在1 Hz以內,前8階模態的頻率都控制在5 Hz以內。梯臂變形量最大的情況出現在第5階模態時的梯臂7處,即最大變形量位于最頂端的一節梯臂處,且最大變形量在3 mm左右。

3 結論

云梯車工作過程中,受到外界的振動激勵源主要有風載荷和發動機的激勵,由于模態分析時考慮了風載荷的影響,因此重點考慮發動機傳來的激勵影響,云梯車工作過程中需要有持續的動力輸入,發動機一直處于怠速狀態,發動機任意轉速的激勵頻率范圍為23.3 Hz～28.3 Hz。當云梯搬家車正常作業時,梯架系統的前10階固有頻率都在6 Hz以內,與發動機的激振頻率相差較大,不會出現共振現象,而階數更高之后得到的固有頻率又屬于高頻振動,一般不會被激發。因此經過模態分析可以判定梯架設計在正常工作情況下不存在共振的危險。