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1、第21卷 第1期武汉交通科技大学学报Vol.21No.11997年2月JournalofWuhanTransportationUniversityFebruary1997门座起重机臂架系统动态特性的有限元分析a张 氢 孙国正 刘 刚(武汉交通科技大学港口机械工程系 武汉 430063)摘要:采用I2DEAS软件将门座起重机的臂架系统作为整体模型进行了有限元动态特性分析,计算出了臂架系统的前几阶低阶固有频率,并给出了相应的振型图.为提高臂架系统的设计质量和起重机的正确运行使用提供了理论依据.关键词:门座起重机;臂架系统;动态分析;有限元分析中图法分
2、类号:TH21314门座起重机臂架系统是起重机工作时最重要的承载部件之一,其力学性能对整机的正常运转有直接影响.随着起重机朝着高速重载的方向发展,在繁重复杂的工况下,对臂架系统进行动力特性分析是十分必要的.常规的设计计算通常是将臂架系统分解成单个部件进行的,对部件的模型作了不少简化并且计算结果无法反映出臂架综合情况,更无法计算出臂架系统的固有振动特性.本文针对MQ1633门座起重机臂架系统,建立了相应的整体有限元模型,并用I2DEAS软件分析了它的动态特性.1 臂架系统的结构形式及尺寸参数臂架为刚性四连杆形式(见图1),其各个部件大多为用钢板焊接
3、而成的箱形结构,各截面尺寸见表1.表1 箱形截面尺寸mm截面号宽度 b 高度 h 腹板厚D1 翼缘板厚D2111005008821100500141031100500810411005001085340090010106340090010127550700101082802401625101690650201011239016701010122000150010103截面有两个分支.a收稿日期:19961112 张 氢:男,29岁,博士生,讲师第1期张 氢等:门座起重机臂架系统动态特性的有限元分析·23·截面9是臂架平衡系统的小拉杆,由
4、工字钢40A制成.它有两个分支分别与平衡梁的两个分支(5,6截面)相铰接.截面13,14如图2b)所示,外径分别为299,273mm,壁厚分别为10,13mm.2 有限元的力学模型有限元模型见图1所示.为准确反映臂架各部件之间相互影响及支承情况,取包括臂架平衡系统在内的整个臂架系统进行分析.211 单元划分根据臂架系统的结构形式,将其模拟成为空间梁单元构成的结构.其中大拉杆、小拉杆、变幅拉杆、平衡梁的前后段均离散为一般梁单元,主臂架则由双[3]向变截面梁单元来模拟.象鼻梁本身为一桁梁混合结构,其3根圆钢管构成的桁构可以处理为梁单元也可以处理成杆单
5、元.根据对这两种不同处理方式分别进行静力受载分析,发现两者差别很小,但作动态分析时,梁单元的自然频率图2 起重机臂架系统截面示意图比杆单元低,因此为方便起见一律处理为梁单元.象鼻梁上的主梁,不同分段由不同厚度的钢板制成1由于与主臂架相比,象鼻梁主梁截面尺寸要小得多,亦即刚度要小,为准确分析其动态特性,必须按不同分段离散为不同的梁单元.图1中“3”所在位置即表示单元节点.平衡梁尾部加方框的节点代表其上有集中质量,以模拟平衡配重对臂架系统动态特性带来的影响.由于考虑结构布置上的原因,平衡梁支承点、臂架变幅拉点及小拉杆在臂架上的拉点均偏离平衡梁或臂架的
6、主轴线,其偏离数值较大,不能[3]被忽略,否则将给模型带来较大误差.本文采用I2DEAS提供的梁单元节点偏置功能解决这一问题.212 约束处理由于臂架系统上各活动铰接点上均有不止一个轴承,此外还考虑定位套筒的作用,这些铰点处理成只能绕它的轴转动的节点而不能处理为不承担任何弯矩或转矩的球铰.如果约束不够,该臂架系统还有可能成为几何可变体系而无法求解.梁单元上画的圆圈表示梁在该端有载[4]荷释放,这些节点上有铰点而不传递相应的弯矩.3 模型求解311 分析软件简介美国SDRC公司的I2DEAS软件将实体建模、系统组装、有限元建模与分析、有限元前后处理
7、、系统动态分析、工程绘图等功能高度集成.对于由二维、三维单元构成的有限元模型,利用实体建模系统,可高效准确地建立分析结构的三维实体模型,自动生成有限元网格,建立相应的约束及载荷工况,然后进行求解并以图形显示方式输出结果.对于一维单元,直接利用有·24·武汉交通科技大学学报1997年 第21卷限元建模与分析模块的功能建立模型更为方便,I2DEAS还提供了梁截面建模工具,用户只需绘出梁截面形状及尺寸,I2DEAS将自动计算截面特性供分析计算使用.用户可以很方便地根据计算结果修改截面尺寸进行重新求解.312 有限元分析方法说明在进行结构动态分析时,I2
8、DESA提供了两种求解方法:Guyan缩减法和同时矢量迭代法(SVI).31211Guyan缩减法 Guyan缩减法也称为动力凝聚法或特
