| 标题 | 450t提梁机结构动力特性分析 |
| 范文 | 陈士通+赵振宇+孙志星 摘要：针对提梁机动力特性研究不够深入，对提梁机安全性能影响不够系统的问题，采用数值仿真的方法，对提梁机进行动力特性分析，把振型和频率这两个安全因子应用到提梁机的安全性分析中。结果表明：提出的安全因子能够准确、快速地分析其对结构的影响，并能较好的判断结构振动的不稳定性因素，从避免共振的角度提出了起重机部件参数的选取原则，提高了结构的安全性能。 关键词：提梁机；模态分析；动力特性；安全因子 中图分类号：U445.32文献标志码：BAnalysis on Structural Dynamic Characteristics of 450 t Gantry CraneCHEN Shitong1，2， ZHAO Zhenyu1， SUN Zhixing1 450 t提梁机是一种用于高速铁路或客运专线的大型门式起重机，2台450 t提梁机配合作业可实现900 t级预制箱梁的提梁、移梁和装车作业。提梁机的设计出发点一般是基于功能需要来确定其技术参数，具体设计时主要考虑强度、刚度和稳定性，最终确定其结构形式。从一些设备的使用反馈来看，经常出现连接部位强度破坏、结构件局部变形、结构晃动幅度偏大等情况，究其原因，是设计人员忽略了提梁机的动力特性分析。对于大型门式起重机来说，其动力特性的优劣对整个门式起重机的性能有着重要影响。振动不但可能造成门式起重机结构的疲劳破坏，还会产生共振和噪声。当受到激振力的频率与门式起重机结构的某一固有频率接近时，就有可能引起结构共振，从而产生很高的动应力，造成结构的强度破坏或产生不允许的大变形，影响门式起重机的性能[12]。结构门架在移动荷载激励作用下会发生振动，此时产生的变形和应力都会大于静止荷载作用，故移动载荷的这种动效应必须引起重视，如果移动荷载处于门架最不利的作用位置且满足共振条件，将会激发更大的动态效应，进而导致结构的破坏。动态刚性的设计对起重机的吊装精度、作业效率、疲劳寿命、司机健康及工作安全等因素起决定性作用[34]。 1结构模态分析原理 对提梁机进行模态分析时，因其结构阻尼较小，对固有频率和振型影响甚微，故忽略不计，将其归于多自由度系统的无阻尼自由振动分析，其振动微分方程为[5][M]{x··}+[K]{x}=0（1）式中：{x}为各阶振动的模态；[M]、[K]分别为质量矩阵和刚度矩阵。求解{x} 是一个典型的特征值问题求解。 2提梁机的有限元计算模型 2.1提梁机的基本构造和主要参数 提梁机金属结构主要由主梁、刚性支腿和假想柔性支腿组成。在设计起重机时，当梁跨度大于30 m时，通常会采用1个刚性支腿1个柔性支腿相结合的门架结构，可减小因超静定产生的水平支反力，但此种结构形式会导致提梁机横向位移较大，故本机进行了设计优化，通过调整一侧支腿与主梁的线刚度比（螺栓连接），实现假想柔性支腿，这种处理方式既降低了水平支反力，又可有效控制横向位移。 主梁上部设有起升系统，可沿主梁上部轨道走行，实现箱梁横移，整机行走通过下部走行系统实现。主要技术参数如下：额定起重量为450 t，起升高度为30 m，跨度为35 m，工作级别为A3，额定起升速度为05 m· min-1，小车运行速度为3 m·min-1，大车运行速度为5 m·min-1。 2.2有限元模型的建立 建立有限元模型时，考虑到提梁机的金属结构由不同厚度的钢板焊成，再通过螺栓连接成为门架结构，其单元类型单一，故采用beam188模拟主梁与支腿进行分析。 模型建立过程中，在保证结构模型能够真实反映实际受力状态的情况下，对一些局部进行了适当的简化。 （1） 梯子、走台、栏杆和司机室等对整体结构无影响的部件予以省略，用Mass 21单元的形式将它们的质量附加在模型上。 （2） 省略螺栓等连接件，将螺栓连接部位视为刚性连接。 （3） 主梁上部轨道具有一定的刚性，故建模时将轨道与主梁截面视为组合截面，采用同一单元。 （4） 用Mass 21单元的形式将起升系统和吊具的质量施加在轨道上。 （5） 金属结构材料为Q345，其弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg·m-3，泊松比为0.3。 3结构模态计算结果及分析 3.1模态分析 利用ANSYS软件对提梁机结构的空间模型进行模态分析计算，模态提取方法选择Block Lanczo法，得到结构前10阶模态分析的固有频率，如表1所示。结构的振动可以理解为各阶固有振型的线性组合，其中低阶模态占主要地位，考虑结构阻尼的作用，振动响应中的高阶部分衰减也很快，故常对高阶模态忽略不计，各阶模态阵型如图1所示。 （1） 提梁机采用刚性支腿和假想柔性支腿的门式结构时，结构的柔性较大，自振频率略低，自振周期较大。 （2） 第1、4、6阶固有振型反映了提梁机的横向水平振动，可由起重小车启、制动等原因激励起振。 （3） 第2、5、9、10阶固有振型反映了提梁机的纵向水平振动，可由大车启、制动等原因激励起振。 （4） 第3振型反映了提梁机沿走行轨道的扭转振动。 （5） 第7、8阶固有振型反映了提梁机的垂直振动，可由起升机构启、制动等原因激励起振。 （6） 第4、6、7、9、10阶固有振型反映了支腿可由提梁机水平摆动激励起振，柔性支腿更易激发。 （7）竖向自振频率大于2 Hz，说明其动态刚性满足设计要求[7]。 （8） 综合以上振型图分析，假想柔性支腿和主梁是提梁机振动中的薄弱环节。 （9） 前7阶自振频率的振动均在水平方向，故应注意提梁机水平方向激励源引起的振动。 4结语 建立合理的提梁机有限元模型，通过模态分析，可明确了解提梁机的动态特性，在选取电机转速、大车及起重小车走行速度与车轮直径、起重小车起升速度与卷筒直径等参数时，尽量使其激励的频率远离固有频率，从而避免共振造成的强度破坏或大变形影响提梁机的结构性能。通过模态分析还可以为结构优化提供参考。 参考文献： [1]陈玮璋，顾迪民.起重机械金属结构[M].北京：人民交通出版社，1985. [2]GB/T 3811—2008，起重机设计规范[S]. [3]杨明亮，徐格宁，常争艳，等.基于有限元法的桥式起重机桥架模态分析[J].机械科学与技术，2012，31（1）：135137. [4]王斌华，邵雨红，吕彭民.基于ANSYS的450 t提梁机结构有限元分析[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（6）：7477. [5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007. [6]张会远，乔云强.考虑塔吊影响的桥塔施工阶段动力特性分析[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（6）：3840. [7]戢平，郭燕.大型桥式起重机承轨梁结构模态分析[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2012，34（4）：460463. [责任编辑：杜卫华] 摘要：针对提梁机动力特性研究不够深入，对提梁机安全性能影响不够系统的问题，采用数值仿真的方法，对提梁机进行动力特性分析，把振型和频率这两个安全因子应用到提梁机的安全性分析中。结果表明：提出的安全因子能够准确、快速地分析其对结构的影响，并能较好的判断结构振动的不稳定性因素，从避免共振的角度提出了起重机部件参数的选取原则，提高了结构的安全性能。 关键词：提梁机；模态分析；动力特性；安全因子 中图分类号：U445.32文献标志码：BAnalysis on Structural Dynamic Characteristics of 450 t Gantry CraneCHEN Shitong1，2， ZHAO Zhenyu1， SUN Zhixing1 450 t提梁机是一种用于高速铁路或客运专线的大型门式起重机，2台450 t提梁机配合作业可实现900 t级预制箱梁的提梁、移梁和装车作业。提梁机的设计出发点一般是基于功能需要来确定其技术参数，具体设计时主要考虑强度、刚度和稳定性，最终确定其结构形式。从一些设备的使用反馈来看，经常出现连接部位强度破坏、结构件局部变形、结构晃动幅度偏大等情况，究其原因，是设计人员忽略了提梁机的动力特性分析。对于大型门式起重机来说，其动力特性的优劣对整个门式起重机的性能有着重要影响。振动不但可能造成门式起重机结构的疲劳破坏，还会产生共振和噪声。当受到激振力的频率与门式起重机结构的某一固有频率接近时，就有可能引起结构共振，从而产生很高的动应力，造成结构的强度破坏或产生不允许的大变形，影响门式起重机的性能[12]。结构门架在移动荷载激励作用下会发生振动，此时产生的变形和应力都会大于静止荷载作用，故移动载荷的这种动效应必须引起重视，如果移动荷载处于门架最不利的作用位置且满足共振条件，将会激发更大的动态效应，进而导致结构的破坏。动态刚性的设计对起重机的吊装精度、作业效率、疲劳寿命、司机健康及工作安全等因素起决定性作用[34]。 1结构模态分析原理 对提梁机进行模态分析时，因其结构阻尼较小，对固有频率和振型影响甚微，故忽略不计，将其归于多自由度系统的无阻尼自由振动分析，其振动微分方程为[5][M]{x··}+[K]{x}=0（1）式中：{x}为各阶振动的模态；[M]、[K]分别为质量矩阵和刚度矩阵。求解{x} 是一个典型的特征值问题求解。 2提梁机的有限元计算模型 2.1提梁机的基本构造和主要参数 提梁机金属结构主要由主梁、刚性支腿和假想柔性支腿组成。在设计起重机时，当梁跨度大于30 m时，通常会采用1个刚性支腿1个柔性支腿相结合的门架结构，可减小因超静定产生的水平支反力，但此种结构形式会导致提梁机横向位移较大，故本机进行了设计优化，通过调整一侧支腿与主梁的线刚度比（螺栓连接），实现假想柔性支腿，这种处理方式既降低了水平支反力，又可有效控制横向位移。 主梁上部设有起升系统，可沿主梁上部轨道走行，实现箱梁横移，整机行走通过下部走行系统实现。主要技术参数如下：额定起重量为450 t，起升高度为30 m，跨度为35 m，工作级别为A3，额定起升速度为05 m· min-1，小车运行速度为3 m·min-1，大车运行速度为5 m·min-1。 2.2有限元模型的建立 建立有限元模型时，考虑到提梁机的金属结构由不同厚度的钢板焊成，再通过螺栓连接成为门架结构，其单元类型单一，故采用beam188模拟主梁与支腿进行分析。 模型建立过程中，在保证结构模型能够真实反映实际受力状态的情况下，对一些局部进行了适当的简化。 （1） 梯子、走台、栏杆和司机室等对整体结构无影响的部件予以省略，用Mass 21单元的形式将它们的质量附加在模型上。 （2） 省略螺栓等连接件，将螺栓连接部位视为刚性连接。 （3） 主梁上部轨道具有一定的刚性，故建模时将轨道与主梁截面视为组合截面，采用同一单元。 （4） 用Mass 21单元的形式将起升系统和吊具的质量施加在轨道上。 （5） 金属结构材料为Q345，其弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg·m-3，泊松比为0.3。 3结构模态计算结果及分析 3.1模态分析 利用ANSYS软件对提梁机结构的空间模型进行模态分析计算，模态提取方法选择Block Lanczo法，得到结构前10阶模态分析的固有频率，如表1所示。结构的振动可以理解为各阶固有振型的线性组合，其中低阶模态占主要地位，考虑结构阻尼的作用，振动响应中的高阶部分衰减也很快，故常对高阶模态忽略不计，各阶模态阵型如图1所示。 （1） 提梁机采用刚性支腿和假想柔性支腿的门式结构时，结构的柔性较大，自振频率略低，自振周期较大。 （2） 第1、4、6阶固有振型反映了提梁机的横向水平振动，可由起重小车启、制动等原因激励起振。 （3） 第2、5、9、10阶固有振型反映了提梁机的纵向水平振动，可由大车启、制动等原因激励起振。 （4） 第3振型反映了提梁机沿走行轨道的扭转振动。 （5） 第7、8阶固有振型反映了提梁机的垂直振动，可由起升机构启、制动等原因激励起振。 （6） 第4、6、7、9、10阶固有振型反映了支腿可由提梁机水平摆动激励起振，柔性支腿更易激发。 （7）竖向自振频率大于2 Hz，说明其动态刚性满足设计要求[7]。 （8） 综合以上振型图分析，假想柔性支腿和主梁是提梁机振动中的薄弱环节。 （9） 前7阶自振频率的振动均在水平方向，故应注意提梁机水平方向激励源引起的振动。 4结语 建立合理的提梁机有限元模型，通过模态分析，可明确了解提梁机的动态特性，在选取电机转速、大车及起重小车走行速度与车轮直径、起重小车起升速度与卷筒直径等参数时，尽量使其激励的频率远离固有频率，从而避免共振造成的强度破坏或大变形影响提梁机的结构性能。通过模态分析还可以为结构优化提供参考。 参考文献： [1]陈玮璋，顾迪民.起重机械金属结构[M].北京：人民交通出版社，1985. [2]GB/T 3811—2008，起重机设计规范[S]. [3]杨明亮，徐格宁，常争艳，等.基于有限元法的桥式起重机桥架模态分析[J].机械科学与技术，2012，31（1）：135137. [4]王斌华，邵雨红，吕彭民.基于ANSYS的450 t提梁机结构有限元分析[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（6）：7477. [5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007. [6]张会远，乔云强.考虑塔吊影响的桥塔施工阶段动力特性分析[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（6）：3840. [7]戢平，郭燕.大型桥式起重机承轨梁结构模态分析[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2012，34（4）：460463. [责任编辑：杜卫华] 摘要：针对提梁机动力特性研究不够深入，对提梁机安全性能影响不够系统的问题，采用数值仿真的方法，对提梁机进行动力特性分析，把振型和频率这两个安全因子应用到提梁机的安全性分析中。结果表明：提出的安全因子能够准确、快速地分析其对结构的影响，并能较好的判断结构振动的不稳定性因素，从避免共振的角度提出了起重机部件参数的选取原则，提高了结构的安全性能。 关键词：提梁机；模态分析；动力特性；安全因子 中图分类号：U445.32文献标志码：BAnalysis on Structural Dynamic Characteristics of 450 t Gantry CraneCHEN Shitong1，2， ZHAO Zhenyu1， SUN Zhixing1 450 t提梁机是一种用于高速铁路或客运专线的大型门式起重机，2台450 t提梁机配合作业可实现900 t级预制箱梁的提梁、移梁和装车作业。提梁机的设计出发点一般是基于功能需要来确定其技术参数，具体设计时主要考虑强度、刚度和稳定性，最终确定其结构形式。从一些设备的使用反馈来看，经常出现连接部位强度破坏、结构件局部变形、结构晃动幅度偏大等情况，究其原因，是设计人员忽略了提梁机的动力特性分析。对于大型门式起重机来说，其动力特性的优劣对整个门式起重机的性能有着重要影响。振动不但可能造成门式起重机结构的疲劳破坏，还会产生共振和噪声。当受到激振力的频率与门式起重机结构的某一固有频率接近时，就有可能引起结构共振，从而产生很高的动应力，造成结构的强度破坏或产生不允许的大变形，影响门式起重机的性能[12]。结构门架在移动荷载激励作用下会发生振动，此时产生的变形和应力都会大于静止荷载作用，故移动载荷的这种动效应必须引起重视，如果移动荷载处于门架最不利的作用位置且满足共振条件，将会激发更大的动态效应，进而导致结构的破坏。动态刚性的设计对起重机的吊装精度、作业效率、疲劳寿命、司机健康及工作安全等因素起决定性作用[34]。 1结构模态分析原理 对提梁机进行模态分析时，因其结构阻尼较小，对固有频率和振型影响甚微，故忽略不计，将其归于多自由度系统的无阻尼自由振动分析，其振动微分方程为[5][M]{x··}+[K]{x}=0（1）式中：{x}为各阶振动的模态；[M]、[K]分别为质量矩阵和刚度矩阵。求解{x} 是一个典型的特征值问题求解。 2提梁机的有限元计算模型 2.1提梁机的基本构造和主要参数 提梁机金属结构主要由主梁、刚性支腿和假想柔性支腿组成。在设计起重机时，当梁跨度大于30 m时，通常会采用1个刚性支腿1个柔性支腿相结合的门架结构，可减小因超静定产生的水平支反力，但此种结构形式会导致提梁机横向位移较大，故本机进行了设计优化，通过调整一侧支腿与主梁的线刚度比（螺栓连接），实现假想柔性支腿，这种处理方式既降低了水平支反力，又可有效控制横向位移。 主梁上部设有起升系统，可沿主梁上部轨道走行，实现箱梁横移，整机行走通过下部走行系统实现。主要技术参数如下：额定起重量为450 t，起升高度为30 m，跨度为35 m，工作级别为A3，额定起升速度为05 m· min-1，小车运行速度为3 m·min-1，大车运行速度为5 m·min-1。 2.2有限元模型的建立 建立有限元模型时，考虑到提梁机的金属结构由不同厚度的钢板焊成，再通过螺栓连接成为门架结构，其单元类型单一，故采用beam188模拟主梁与支腿进行分析。 模型建立过程中，在保证结构模型能够真实反映实际受力状态的情况下，对一些局部进行了适当的简化。 （1） 梯子、走台、栏杆和司机室等对整体结构无影响的部件予以省略，用Mass 21单元的形式将它们的质量附加在模型上。 （2） 省略螺栓等连接件，将螺栓连接部位视为刚性连接。 （3） 主梁上部轨道具有一定的刚性，故建模时将轨道与主梁截面视为组合截面，采用同一单元。 （4） 用Mass 21单元的形式将起升系统和吊具的质量施加在轨道上。 （5） 金属结构材料为Q345，其弹性模量为210 GPa，密度为7 850 kg·m-3，泊松比为0.3。 3结构模态计算结果及分析 3.1模态分析 利用ANSYS软件对提梁机结构的空间模型进行模态分析计算，模态提取方法选择Block Lanczo法，得到结构前10阶模态分析的固有频率，如表1所示。结构的振动可以理解为各阶固有振型的线性组合，其中低阶模态占主要地位，考虑结构阻尼的作用，振动响应中的高阶部分衰减也很快，故常对高阶模态忽略不计，各阶模态阵型如图1所示。 （1） 提梁机采用刚性支腿和假想柔性支腿的门式结构时，结构的柔性较大，自振频率略低，自振周期较大。 （2） 第1、4、6阶固有振型反映了提梁机的横向水平振动，可由起重小车启、制动等原因激励起振。 （3） 第2、5、9、10阶固有振型反映了提梁机的纵向水平振动，可由大车启、制动等原因激励起振。 （4） 第3振型反映了提梁机沿走行轨道的扭转振动。 （5） 第7、8阶固有振型反映了提梁机的垂直振动，可由起升机构启、制动等原因激励起振。 （6） 第4、6、7、9、10阶固有振型反映了支腿可由提梁机水平摆动激励起振，柔性支腿更易激发。 （7）竖向自振频率大于2 Hz，说明其动态刚性满足设计要求[7]。 （8） 综合以上振型图分析，假想柔性支腿和主梁是提梁机振动中的薄弱环节。 （9） 前7阶自振频率的振动均在水平方向，故应注意提梁机水平方向激励源引起的振动。 4结语 建立合理的提梁机有限元模型，通过模态分析，可明确了解提梁机的动态特性，在选取电机转速、大车及起重小车走行速度与车轮直径、起重小车起升速度与卷筒直径等参数时，尽量使其激励的频率远离固有频率，从而避免共振造成的强度破坏或大变形影响提梁机的结构性能。通过模态分析还可以为结构优化提供参考。 参考文献： [1]陈玮璋，顾迪民.起重机械金属结构[M].北京：人民交通出版社，1985. [2]GB/T 3811—2008，起重机设计规范[S]. [3]杨明亮，徐格宁，常争艳，等.基于有限元法的桥式起重机桥架模态分析[J].机械科学与技术，2012，31（1）：135137. [4]王斌华，邵雨红，吕彭民.基于ANSYS的450 t提梁机结构有限元分析[J].筑路机械与施工机械化，2011，28（6）：7477. [5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007. [6]张会远，乔云强.考虑塔吊影响的桥塔施工阶段动力特性分析[J].筑路机械与施工机械化，2007，24（6）：3840. [7]戢平，郭燕.大型桥式起重机承轨梁结构模态分析[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2012，34（4）：460463. [责任编辑：杜卫华] |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。