桁架门式起重机结构特性分析

文广 刘平平 左芳君 赵雪芹 苏睿

摘要：以某桁架门式起重机为研究对象，利用有限元软件ANSYS对其金属结构的静、动态特性进行分析。通过静态分析得出，该门式起重机金属结构在设计载荷作用下的最大拉应力发生在右支腿上与主梁结合面处，最大压应力发生在主梁跨中部位，上述应力值均小于材料的许用应力，结构的静强度设计符合要求;通过模态分析得出，该桁架门式起重机金属结构在非工作状态下的前6阶模态表现如下：第1及第2阶模态主要表现为整机结构的摆动振型，第3、4阶模态主要表现为左、右支腿的摆动振型，第5、6阶模态主要表现为主梁的弯曲振型;通过谐响应分析结果可以看出，第5阶模态是对结构动态特性影响最大的模态。研究结果为该门式起重机金属结构的进一步优化提供了理论基础。

关键词：桁架门式起重机;有限元;静态特性;动态特性;模态分析;谐响应分析

中图分类号：TH21文献标志码：A

文章編号：2095-5383（2018）04-0001-05

门式起重机作为起重机的一种重要结构形式，在港口、建筑工地、物流货场等区域得到了广泛的使用，是使用量最大的起重运输机械之一[1-2]。金属结构是其主要的承载部件，由于门式起重机经常工作于恶劣的环境，长期承受周期性的大冲击载荷，为了避免其结构失效，在设计时有必要对其包括静、动态特性在内的安全性能进行研究[3]。传统的起重机设计方法主要依靠经验和类比，采用这些方法设计出的起重机往往比较笨重[4]，且设计过程较为繁复。随着计算机技术的发展，以有限元法为代表的现代设计方法已经在起重机设计领域得到了大规模的应用，并取得了良好效果。郭俊材等[5]利用有限元软件，在模态分析基础上，研究了某L型门式起重机金属结构的尺寸参数对其动态特性的影响，通过研究确定了灵敏度较大的参数。任德斌等[6]基于有限元法对某桥式起重机的主梁进行了分析，考察了主梁的强度和刚度是否满足要求。冯立霞等[7]以双梁桥式起重机桥架为研究对象，利用有限元软件对其进行模态分析和谐响应分析，分析结果反映了结构的固有特性和频谱特性。大量的实例证明了有限元法在起重机结构设计分析中的有效性，本文以某桁架门式起重机整机结构为研究对象，利用有限元软件ANSYS，对其静、动态特性进行全面的分析，分析结果可为该结构的进一步优化提供理论依据。

1材料特性参数及有限元模型

本文研究的桁架门式起重机金属结构所用材料为Q235钢，其材料特性参数如下：材料密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=21×1011 Pa，泊松比μ=03，屈服强度为235 MPa，分析时，取安全系数134，则该材料的许用应力为175 MPa。该门式起重机的主要性能参数为：起升速度为105 m/min，额定起重量为52 t。

利用有限元软件ANSYS对其建模，整机模型分别采用shell63、link8、beam4单元来模拟，其中，shell63单元主要用于模拟位于支腿内侧的司机室支撑平台，link8单元主要用于模拟桁架杆件中的腹杆，beam4单元主要用于模拟桁架杆件中的弦杆。实体模型建成后，将其进行网格划分，整机金属结构共被划分成471个单元，模型共有197个节点，有限元模型如图1所示。

2金属结构静态特性分析

分析前，对有限元模型施加边界条件。按照实际工况，本文考虑的载荷主要有：结构自身的重力，重力载荷主要通过施加重力加速度来实现，取98 m/s2;起重机大车和小车行走机构在启动和制动时引起的水平惯性力，该载荷主要通过施加水平方向的惯性加速度来实现，根据文献[8]，取

0120 m/s2;起重机起吊货物引起的起升载荷，按照文献[8]的计算方法，将货物的重量乘以起升系数可得对应的起升载荷，通过计算，取63 191 N，本文只考虑小车位于主梁跨中的工况，为了避免计算时出现应力集中，将载荷平均分配到主梁跨中的两个节点上。本文考虑的约束主要是将将支腿底部固定在水平地面上，通过在支腿底部节点施加全约束来实现。加载后的有限元模型如图2所示。

通过分析计算，该桁架门式起重机金属结构在设计载荷作用下，其静态应力分布云图如图3所示。从图3可以看出，该结构的最大工作拉应力发生在支腿上与主梁结合的部位，其值为112269 MPa;该结构的最大工作压应力发生在主梁跨中部位，其值为118379 MPa。

将支腿、主梁的应力分析结果单独提取，可得其应力云图分别如图4和图5所示，从图4和图5可以看出，支腿部分拉应力最大值位于与主梁结合的位置，其值为112269 MPa;支腿部分压应力最大值也位于与主梁结合的位置，其值为113748 MPa。主梁部分拉应力最大值位于跨中位置，其值为98912 MPa;主梁部分压应力最大值也位于跨中位置，其值为118379 MPa。

总的来看，整机结构拉应力最大值位于右边支腿上，且位于与主梁结合的部位，说明该部分结构支撑相对比较薄弱，压应力最大值位于主梁跨中，无论是最大拉应力还是最大压应力，其值均小于材料的许用应力，因此，该桁架门式起重机金属结构的静强度符合设计要求。而且，工作应力值均远小于材料的许用应力值，整机结构尺寸还有较大的优化空间。

分析后提取其固有频率和振型。根据振动理论可知，结构的高阶振型对其动态特性的影响较小，且会逐渐衰减，低阶振型对结构动态响应的贡献较大，因此，本文只取该桁架门式起重机金属结构系统前六阶固有频率及振型。其各阶频率值如表1所示，对应的各阶振型如图6所示，从图6可以看出，该桁架门式起重机金属结构系统的第1阶振型主要表现为整机结构沿左右方向的摆动，第2阶振型主要表现为整机结构沿前后方向的摆动，第3阶振型主要表现为左边支腿沿前后方向的摆动，第4阶振型主要表现为右边支腿沿前后方向的摆动，第5阶振型主要表现为主梁沿垂直方向的一阶弯曲，第6阶振型主要表现为主梁沿前后方向的二阶弯曲。

32桁架门式起重机金属结构谐响应分析

谐响应分析前，设置激励频率变化范围并加载，载荷设置为阶跃载荷，即载荷大小不随激励频率的变化而变化。根据模态分析结果可知，该桁架门式起重机金属结构前6阶固有频率的最大值在8 Hz以内，因此，在本次分析中将激励频率变化范围确定为0～8 Hz，载荷步为02 Hz，总载荷大小为63 191 N，平均加载到主梁跨中的2个节点上，方向为垂直向下。分析结束后，考察主梁跨中节点和悬臂端节点沿垂直方向的位移响应，图7给出了上述节点沿垂直方向的位移响应随激励频率变化的曲线。从图7可以看出，无论是位于主梁悬臂端上的节点，还是位于跨中的节点，其垂直方向上位移响应幅值都在激励频率为64 Hz左右时达到最大，从模态分析结果知道，64 Hz的激励频率约等于该门机结构系统的第5阶固有频率，因此，可以说明第5阶模态对该桁架门式起重机的动态特性影响最大，在今后的结构优化过程中需要重点考虑。

4结论

本文利用有限元软件ANSYS对某桁架门式起重机金属结构的静、动态特性进行了分析。通过分析得出如下结论：

1）在设计载荷作用下，该桁架门式起重机金属结构的最大压应力发生在主梁跨中部位，最大拉应力发生在右边支腿上与主梁结合的部位，无论是最大压应力还是最大拉应力，其值均小于材料的许用应力，说明该结构的静强度符合设计要求。

2）该桁架门式起重机金属結构在非工作状态下的前6阶固有频率从低阶到高阶依次分别为：1757 7、2450 3、4946 5、5779 4、6412 7、7788 8 Hz。各阶振型表现如下：第1阶振型主要

表现为整机结构沿左右方向的摆动，第2阶振型主要表现为整机结构沿前后方向的摆动，第3阶振型主要表现为左边支腿沿前后方向的摆动，第4阶振型主要表现为右边支腿沿前后方向的摆动，第5阶振型主要表现为主梁沿垂直方向的一阶弯曲，第6阶振型主要表现为主梁沿前后方向的二阶弯曲。

3）在不同频率的外界激励作用下，无论是位于主梁跨中上的节点，还是位于悬臂端上的节点，其垂直方向上位移响应幅值的最大值均出现在第5阶固有频率附近，桁架门式起重机金属结构的第5阶模态对该结构的动态特性影响最大，在今后的进一步优化设计过程中需要重点考虑该阶模态的影响。

参考文献：

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[6]任德斌，赵美涵吊钩桥式起重机主梁的有限元计算 [J]沈阳建筑大学学报（自然科学版），2018，34（1）：108114

[7]冯立霞，项载毓，陈文勇双梁桥式起重机桥架有限元模态及谐响应研究 [J]机械设计，2018，35（7）：8591

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