基于有限元法的塔式起重机结构模态分析.pdf

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1、·84·重型机械2014NO．2基于有限元法的塔式起重机结构模态分析王宇，李文韬，卢玲(吉林电子信息职业技术学院，吉林132021)摘要：文章以大型有限元分析软件ANSYS为主要分析工具，建立起某型塔式起重机的动态计算模型，并对之进行模态分析计算，得出其前8阶固有频率及前4阶振型，为合理设计该型塔式起重机的结构与设备的安全使用提供依据。关键词：塔式起重机；模态分析；ANSYS软件中图分类号：TH215文献标识码：A文章编号：1001—196X(2014)02—0084—03ThestructuremodalanalysisoftowercranebasedonFiniteE

2、lementMethodWANGYu，LIWen—tao，LULing(JilinVocationalCollegeofElectronics＆Information，Jilin132021，China)Abstract：UsingthepopularfiniteelementsoftwareANSYSasamajoranalysistool，adynamiccalculationmodeloftowercraneissetupandthemodalanalysiscalculationisperformed，andthentheinherentfrequen—ciesan

3、dvibrationmodeofthefirst8ordersareobtained．Thisprovidesatheoryreferenceforthedesignofthetowercranestructureandthesafeusetheequipment．Keywords：towercrane；modalanalysis；ANSYSsoftwareo前言分组成’塔机所含几种杆件的几何塔式起重机在工业起重与建筑施工中的应用表1塔式起重机材料表非常广泛，钢结构作为它的重要组成部分，承受Tab．1Materialsoftowercrane着所有的外部载荷以及自身的重量。

4、由于其工作时会产生多种动载荷，并引起很大的内力与变形，因而极易对钢结构造成破坏。为了防止共振现象的发生，对塔式起重机进行结构设计与结构分析时就十分有必要了解其结构振动特性。本文对某型塔式起重机结构进行模态分析，求解其固有频率与相应的主振型，作为改善结构动态特性的重要参数。1计算模型的建立1．1结构简介塔式起重机为典型的桁架结构，由塔臂、塔1．2选择单元类型单元类型的选择不仅影响到结构离散，而且收稿日期：2013—05一o8；修订日期：2o13一o7—20作者简介：王字(1972一)，男，吉林电子信息职业技术学院还影响到求解速度与计算精度。考虑到塔式起重讲师。机工作时的受力状

5、态，选择计算模型的单元类型2014No．2重型机械·85·为Beam4梁单元，每个节点具有3个沿轴平移征，其实质是计算结构振动特征方程的特征值和自由度与3个绕轴转动自由度，结合该单元的特特征向量。性，Beam4单元完全能够满足分析计算要求。用于模态分析的动力有限元的基本方程为1．3对模型简化处理[]{}+[c]{}+[K]{u}={F(t)}结构的计算模型既要控制规模、又要能够保式中，[]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[]证计算结果的精度，为此在建立该型塔式起重机为刚度矩阵；{“}为位移向量；{F(t)}为作用力的计算模型时做了一些简化处理：(1)将几何尺向量；t为时间。寸

6、小、刚度大的回转机构等效为梁单元；(2)为若假定为自由振动，(t)时，忽略阻尼的了有效地模拟平衡重，加大处理了平衡臂部分的影响，方程简化为截面尺寸；(3)按梁单元处理起重臂与平衡臂的[]{}+[K]{}={0}斜拉索；(4)建模时把起重钢丝绳、司机室等这若假定为谐运动，模态分析的运动方程可以些对分析计算结果影响较小的结构采取忽略处转化为理；(5)采用质量单元来模拟尺寸不大且质量集([K]一[]){U}={0}中的变幅机构等塔机附件。由此便可求出特征值(EJ和特征向量{}，i1．4约束情况的取值范围从1到自由度的总数目。对计算模型进行约束应以符合实际工作情况3模态计算结果及分

7、析为前提，因塔身底部用地脚螺栓与地基连接、且刚度大，故首先将其四个节点的所有自由度全部ANSYS软件提供了BlockLanczos法、Re．约束。其次，起重臂与平衡臂于根部连接回转duced法、Subspace法等几种模态分析方法。而节。在臂架起升平面处理为固定支座。另外，把Subspace法采用完整的质量与刚度矩阵，并使用塔身、塔帽与下回转支座、上回转支座的连接视子空间迭代技术，对求解大型特征值问题特别有为固定支座。最后，处理模拟为梁单元的斜拉效，本文正是采用此法对塔式起重机进行模态分索，将其上吊点视为固定支座。