基于有限元法的DP700型架桥机振动特性分析

谷欣，邹琳，刘宏伟，孙志才

（武汉市特种设备监督检验所，湖北武汉430024）

基于有限元法的DP700型架桥机振动特性分析

谷欣，邹琳，刘宏伟，孙志才

（武汉市特种设备监督检验所，湖北武汉430024）

以DP700型架桥机为研究对象，运用ANSYS分析软件对架桥机进行绘制三维桥梁实物图，创建实体模型后，对其进行受力分析得到相对应的模态分析图及模态振幅。通过对架桥机的主梁的结构进行分析，获得最佳的参数值，为该起重机的设计与虚拟样机的研究、探索提供了相对应的理论与技术指导和支持。

架桥机；振动特性；有限元

目前，国内架桥机结构形式分为单臂和双臂，按走行方式可分为轮轨式和步履式。主梁结构形式可分为板拼箱梁结构和桁架结构，分为带配重过孔和不带配重过孔，如图1的纵移过孔结构图。该架桥机的体积比较大，结构相对复杂，重量大，安装、运输及改进比较困难。因此，本文对架桥机的主梁进行了有限元的模态分析，计算出该架桥机的结构框架、材质及受力情况等，并对其进行模拟改进，可以大大节省时间、成本，避免了因物理样机的不足而改进的浪费，缩短了构建产品的开发周期及降低研发成本。

图1DP700型架桥机纵移过孔状态

1 拼装DP700型架桥机的有限元建模

1.1 结构建模

当运用ANSYS软件对架桥机的主梁进行建模时，因为架桥机的尺寸大，所以在建模时需要运用大量的点、线、面。对主梁建模时，为了节省工作量，采取自底向上和自顶向下同时运行的建模方式进行主梁的实体建模方式。架桥机的外形模拟图[如图2所示。

图2 架桥机的外形模拟图[1]

自底向上的建模方式是在构建三维实体模型时，从低级的图元开始向较为高级的图元建模，即从点、线、面、体一级一级的递升；而自顶向下的建模方式是直接从高级的图元开始建模，高级图元建立成功时有限元的低级图元会自动生成。

在不同的工作状态下，架桥机的主梁结构所受到的载荷也不相同，在不同的工作状况下要对架桥机进行不同的研究分析。根据主梁的结构特点，先对主梁及整体进行ANSYS建模，如图3所示。

图3 架桥机主梁模型图

1.2 参数设定

由于节段拼装DP700型架桥机主梁结构的材料选用了Q345，对其进行建模时，设定相应的参数：

弹性模量EX=200 GPa；

泊松比PRXY=0.3；

密度DENS=7 800 kg/m3.

1.3 网格划分

ANSYS软件有自由网格划分和映射网格划分两种模型划分方法。自由网格划分对几何模型和单元形状的限制小，但单元形状受到映射网格划分的限制，同时几何模型要有相应的规则。映射网格只能是四边形或者三角形的单元，映射体网格只能是六面体的单元。

模型和单元的形状受到映射网格划分的限制，但架桥机的主梁结构比较复杂，因此不适合该方法。采用对几何模型和单元形状都没有特定限制的自由网格划分对架桥机结构的实体模型进行网格划分。“SmartSize”的控制尺寸设定为5，网格划分时的几何模型的类型设定为“Volumes”，单元的形状设置为“Tet”.划分完网格之后，获得节段拼装DP700型架桥机主梁结构ANSYS模型的网格划分图。

2 主梁的模态分析

2.1 施加载荷及约束处理

运用模态分析获得架桥机结构的振动性能，在对节段拼装DP700型架桥机的主梁结构的模拟加载时，必须要考虑到在空载状态时主梁结构的受力状况。

当节段拼装DP700型架桥机的主梁在空载状态时，只承受到架桥机支柱的约束和主梁结构自重的作用。对架桥机的主梁进行有限元分析时，选择“自由度约束”下的位移约束，其加载形式是面接触。

2.2 扩展模态及求解

载荷加载完成，进行下一步的ANSYS软件的求解。在此设定模态分析，并选择分块兰索斯法特征值求解器。该方法运用Lanczos算法对其进行递归运算，并要保证其相对同的精度，相对其他算法，Lanczos算法相对较快，可以用来计算大型结构的多阶模态。

在有限元的后处理中获得各阶的振型，需对模态进行扩展。这需要将提取的模态数量和模态扩展的数量都设定为10阶，运用默认的质量矩阵形成方式。因为主梁没有预应力，在模态分析式要关闭于永利效应。求解结束，保存获得的分析数据。

2.3 结果分析

通过对架桥机结构进行模态分析，获得了节段拼装DP700架桥机的主梁的前10阶模态的固有频率及振型。如下表1所示。

表1 前10阶模态的主振型及频率

节段拼装DP700型架桥机主梁的10阶模态的各阶主振型和位移变形图如下图4所示。

图4 架桥机主梁的10阶模态

通过对架桥机的ANSYS分析，还获得了在X、Y、Z三个方向上主梁10阶模态的最大振动位移值和合位移极值，其数值如表2所示。

表2 各阶振动位移最大值

在无载荷状态下，主梁的前10阶模态的各阶最大应力值如表3所示。

表3 前10阶模态主梁内部应力最大值

由表2可以看出，节段拼装DP700架桥机的主梁结构在前10阶模态下的三个方向的振动变形位移的最大值均非常小，最大值也不超过1.5 mm，其中合位移的最大值也很小。

由表3可以看出，在无载荷状态下，该架桥机的前10阶模态的最大应力值均很小，在第10阶模态时所产生的值为最大值，但其值也均小于3×105Pa.

3 结束语

本文通过对节段拼装DP700型架桥机的主梁进行了三维实体绘制，并对其进行了有限元的单元类型的选择、参数设定、网格划分。对主梁的模态进行分析通过施加载荷及约束处理、扩展模态及求解，获得了前10阶模态的固有频率及振型和各阶主振型与位移变形图，得到了相对应的10阶模态的最大振动位移值、合位移极值和各阶最大应力值。从中得到了结构固有频率值具有上升的趋势，主振型是在架桥机的前部与中部发生。

[1]周超，万金镇，郑健.基于等效结构应力法的起重机箱形结构焊缝疲劳强度分析[J].机械设计与制造，2013（5）：232-234.

Analysis of DP700 Bridge Erecting Machine Vibration Based on Finite Element Method

GU Xin，ZOU Lin，LIU Hong-wei，SUN Zhi-cai
（Wuhan Special Equipment Supervision and Inspection Institute，Wuhan Hubei 430024，China）

The DP700 type bridge machine as the research object，the use of drawing 3D bridge erecting machine on the physical map analysis software of ANSYS to create a solid model，stress analysis by modal analysis and modal amplitude diagram corresponding to its.Through the analysis of the structure of main girder erecting machine，obtain the optimum values of the parameters，provides the corresponding theoretical and technical guidance and support for the research and design of the crane and the virtual prototype of the exploration.

bridge machine；vibration characteristics；finite element

TH215

A

1672-545X（2017）03-0090-03

2016-12-20

谷欣（1982-），男，湖北武汉人，工程师，本科，主要从事特种设备检验。