ANSYS的物料提升機結構模態(tài)分析

2013-08-14 by:廣州CAE有限元應用中心來源:仿真在線

根據行業(yè)標準JGJ88-1992《龍門架及井架式物料提升機安全技術規(guī)范》的規(guī)定,建筑施工用物料提升機的鋼結構計算必須按照現行國家標準《鋼結構設計規(guī)范》進行,主要還是根據傳統(tǒng)的材料力學和結構力學的方法,計算復雜,耗時耗力,當處理動載問題時,只是在原靜載的基礎上考慮一動載系數,本質上還是進行靜力學分析計算,計算結果精度較低。物料提升機在實際工作時,由于頻繁的啟動與停止容易造成沖擊,并且也有可能由于外界的激勵形成振動,在鋼結構內部引起較大的動態(tài)應力,可能造成鋼結構的破壞,因此動力學設計是必不可少的一部分。通常動力學分析分為系統(tǒng)的模態(tài)分析(即求解結構的固有頻率和振型)和系統(tǒng)在受到一定載荷時的動力響應分析2 部分。通過試驗模態(tài)分析結合參數識別理論來得到系統(tǒng)的動態(tài)參數和特性,盡管精度較高,但比較復雜。本文介紹一種簡單、快速求解物料提升機系統(tǒng)模態(tài)的方法。

1 物料提升機結構自由振動特性的求解

模態(tài)分析用于確定設計中的結構或機器部件的振動特性,即計算它們的固有頻率及振型,物料提升機結構特性(固有頻率及振型)的計算基于線彈性的鋼結構系統(tǒng)。具有有限個自由度的線彈性系統(tǒng)的運動方程為

式中M——質量矩陣

C——阻尼矩陣

K——剛度矩陣

δ——位移向量

P(t)——作用力向量

t——時間

當P (t)=0 時,忽略阻尼C的影響,方程變?yōu)?

自由振動時,結構上各點作簡諧振動,各節(jié)點位移表示成為

則有

求出特征值ω2 和特征向量句,進一步求得系統(tǒng)各階固有頻率即模態(tài)頻率、固有振型即模態(tài)振型。

對于高階特征值系統(tǒng)的求解,勢必花費大量的計算時間。一般諸如物料提升機、塔式起重機之類的鋼結構,只需求前幾階較低的振動頻率與振型,因為低階振動對結構的影響最大。原因是大型結構系統(tǒng)的自由度雖然很多,但往往激勵的高頻成分很弱或是系統(tǒng)的高頻成分對振動的貢獻度很低。求系統(tǒng)最前面的有限階特征值與特征向量可采用子空間迭代法。該方法的基本思想是:前面所述的n 階特征值系統(tǒng)中,δM 包含n 個線性無關的特征向量,它們相互間以M 為正交,組成一個n 維向量空間,用子空間法求系統(tǒng)的前P 階(P<<n) 特征值時,初選一組q 個(q 略大于p) 線性無關的向量,組成一個q 維子空間,不斷迭代,使之漸漸逼進n維向量空間中低階部分所組成的子空間,最后使q個特征向量對M 矩陣正交,即得q 個特征向量,可取其中的P 個。于是n 階特征值問題大大簡化為P 階特征值問題。本文應用ANSYS 程序模態(tài)分析中的子空間法,對物料提升機鋼結構的前4階振動特性進行分析。

2 物料提升機結構有限元模型的建立

根據物料提升機的結構特點,為避免問題過于復雜,在盡可能如實反映物料提升機鋼結構主要力學特征的前提下,根據其承載特點對模型進行適當的簡化。

(1)將物料提升機鋼結構簡化為空間梁框架結構,模型能比較全面、準確反映物料提升機在工作狀態(tài)下的變形和應力特點。

(2) 把物料提升機主肢、橫幅桿、斜幅桿的連接處用梁單元的同一個節(jié)點代替。

(3) 把物料提升機與混凝土基礎和建筑物的連接處理為固定約束。

2.1 單元類型和模型的靜力學驗證

進行有限元分析計算時,最重要的是要選擇合適的單元,物料提升機鋼結構是由角鋼、槽鋼等用螺栓連接或焊接而成,本分析選用ANSYS 單元庫中的Beam188 作為建立有限元模型的基本單元。該單元基于Timoshenko 梁結構理論, Beam188 的最大特點是支持梁截面形狀顯示,可以考慮剪切變形和翹曲,同時也支持大轉動和大應變等非線性行為,而且也可以直接顯示梁截面上的應力和變形。Beam188 單元適合于分析從細長到中等粗短的梁結構,并且通過secdata 命令定義各種不同的截面形狀來定義型鋼,如沖天角鋼、天梁槽鋼等。通過控制它的關鍵點可以實現型鋼的空間方位布置,能很好地模擬實際的物料提升機結構,滿足建模的需要。為了驗證有限元模型的正確性,將某廠生產的通過曳引輪驅動的JJS1000 型靜力學計算結果與實測值作了比較,見表1,測點布置示意圖見圖1。從表1可以看出,有限元計算的結果與實測值相比誤差較小,更重要的是計算的結果與實測的結果規(guī)律一致,從而初步驗證了模型的正確性。

2.2 邊界條件的給定

在典型有限元模態(tài)分析中唯一有效的"載荷"是零位移約束,其他載荷可以在模態(tài)分析中指定,但在模態(tài)提取時將被忽略,因而只給有限元模型施加約束邊界條件。邊界條件決定各階模態(tài)的形狀,初始條件在自由振動時決定各階模態(tài)參與振動的程度。在這里,邊界條件以固定約束的形式給出。

3 提升機鋼結構模態(tài)分析

用ANSYS 軟件對JJSl刷型物料提升機鋼結構在元阻尼、自由振動情況下的2 種假設情況,即ωm 元附墻(實際不存在這種工況,是為了結果比較的方便)和ωm 有附墻進行固有頻率和振型的計算。由于架體在堅直方向上整體具有懸臂梁的特征,因此它的振型也應該具備梁的模態(tài)特征,從圖2-圖5 可以看出架體的振型與文獻理論計算得到的懸臂梁的振型相吻合,這進一步驗證了模型的正確性,而反映的是架體在有附墻約束情況下的模態(tài),由于附墻桿對架體的中間立柱和-側主肢形成了約束,因此振型出現了側向彎曲的特征,這與理論分析的結果也是一致的。另外從上面的振型圖中可以看出,架體的整體變形比較均勻,說明該結構整體剛度比較均勻,因此該結構具有良好的動力學特性,說明結構設計是合理的。

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