基于ANSYS的塔机动力学模态分析

袁伟伟 闫瑞博 王广杰

摘 要：塔机，也可以称之为塔吊。现阶段，这种塔吊是我国建筑行业发展过程中应用最为广泛的一种起重设备。为了验证塔机有一定的稳定性，本文通过运用ANSYS软件，对塔机进行了动力学的模态分析，经过有效的探索得出，塔机的前六阶固有频率振型图以及前二十阶固有频率表。分析得到塔机变形主要发生在平衡臂和起重臂上，控制塔机在起升、回转等工况下的速度，避免因为产生共振而造成塔机结构破坏情况的发生。

关键词：ANSYS;塔机;模态分析

0 引言

近年来，随着塔机在大范围内进行应用，使得塔机的工作环境以及工作状态更加的多样性，常常需要进行多种复杂的变幅、起重等动作，在提高工作效率的同时，也产生例如冲击载荷等不利的影响，从而对塔机造成一定的破坏。本文为验证某一型号塔机的稳定性，解决振动变形的问题，构建了有限元模型，通过分析不同阶数及频率下塔机的振型特点，提出了一定的改进措施，增强了其稳定性，并为之后的塔机设计提供一定的依据。

1 塔机有限元模型的建立

1.1 实体模型的建立

塔机塔身基础节中心线尺寸：1 465×1 465×2 800，主弦杆中心线尺寸为：1 465×1 465×2 800;塔身主弦杆型号┗160×16，水平斜腹杆型号┗75×6，竖直斜腹杆型号┗90×8，材料均为Q235C;平衡臂主梁型号25#工字钢，腹杆型号┗90×8，材料均为Q235C;起重臂上弦杆选用钢管O89×8，材料20#钢;下弦杆为12#槽钢，材料Q235C;主斜腹杆尺寸则为O50×4，水平斜腹杆尺寸O300×3，均选用20#钢;起重臂外拉杆为O60尺寸的实心钢管，内拉杆O48尺寸的实心钢管，平衡臂拉杆为O48尺寸实心钢管，拉杆材料均选用Q235C。

根据参数建模：（1）建模前设置分析模式。（2）建立塔身标准节各关键点，关键点建立以后按相应位置连接成线。（3）利用复制操作，选择相应线并沿Z轴正向复制13次。后通过GUI命令：MainMenu→Preprocessor→NumberingCtrls压缩关键点和线段编号、合并重合的关键点和线段，生成塔机塔身实体模型。（4）同理建立起起重臂、平衡臂、塔帽等实体模型直至建立起塔机的实体模型，如图1所示[1]。

1.2 塔机有限元模型的建立

在塔机的有限元建模过程中，为了便于分析和设计计算、减小工作量，并且避免非主要的因素對分析的结果产生一定的影响，可以根据塔机的实际工作状况对塔机结构进行必要的简化。

本文涉及的塔机塔身底部结构刚度很大，而且因为塔机是安装在整块地基上的，所以认为塔机底部能够承受较大的弯矩，把塔机底部简化成为固定支座;又因为塔机回转节与起重臂第一节之间的连接是通过销轴进行完成的，所以在臂架起升平面将根部处理为固定铰支座，属于铰接。在分析求解时，应该约束好各种自由度。相比于整个塔机而言，塔机的回转结构、塔机附件等实体部件几何尺寸相对较小，但是质量集中，不容易发生损坏事故，可以等效处理，减少塔机分析求解过程中所需要的单元类型，减少操作，而且对塔机建模的精确度不会产生太大影响。变幅小车、吊钩这些附件与吊重合一处理，在ANSYS加载分析时，与吊重合并到一块且将其看作起升载荷[2]。

1.2.1 有限单元的选择

塔机是空间桁架结构类型，所以要用ANSYS有限元软件中的梁单元、杆单元、质量单元来模拟塔机各结构。其中用梁单元即Beam188单元来模拟起重臂、平衡臂、塔帽、塔身结构，这足以满足分析要求。选用三维质点Mass21单元用来假拟平衡重。Link8单元是一种广泛应用于各类工程中的三维杆单元，用来模拟拉杆、缆绳、锁链、弹簧等[3]。

1.2.2 有限元模型的建立

定义完成各杆的截面尺寸、单元类型、材料属性、实常数后，就要按照各杆自身的属性来进行网格划分，建立塔机的有限元模型，如图 2 所示。需要强调的是，Link8单元只能承受拉力，所以进行网格划分时，每根拉杆一般只能划分一个单元，而起重臂每根杆理论上一般可以划分两到三个单元。设计中将起重臂每根杆划分一个单元，便于建模，简化计算。

2 模态分析结果

本文采取subspace提取模态法，因其具有相对完整的质量矩阵和刚度矩阵，计算相对可以满足大多数情况，适用于塔机这种具有大型特征值状况。对于低阶固有频率研究更有意义，因为对于高阶固有频率，自振时间较短，自振周期较低，对结构造成的破坏影响不大。本文参考文献及考虑到实际情况，前二十阶频率表（表1）。

综上，第一阶振型图表现为起重臂弯曲，振动频率0.262 Hz;

第二阶振型图表现为起重臂上翘，振动频率0.422 Hz;

第三阶振型图为起重臂上翘，平衡臂扭转弯曲，振动频率0.707 Hz;

第四阶振型图为起重臂弯曲，振动频率0.976 Hz;

第五阶振型图为起重臂扭转，振动频率1.057 Hz;

第六阶振型图为起重臂弯曲扭转，振动频率1.265 Hz。

由表1知，阶数越高，频率越大。模态分析时，塔机结构变形主要发生在起重臂和平衡臂，说明塔身的刚度明显优于起重臂和平衡臂，要控制塔机在使用过程中起升、下降重物以及回转运动的速度，不宜太快，以便减小对起重臂和平衡臂的破坏。

3 结语

本文建立塔机有限元模型，并对其进行动力学模态分析，得出塔机的前六阶固有频率振型图和前二十阶固有频率。分析得到塔机变形主要发生在平衡臂和起重臂上，最终通过得出的固有频率结果，控制塔机在起升、回转等工况下的速度，避免因为产生共振而造成塔机结构破坏情况的发生。

参考文献：

[1]王文浩，苟文选，刘世忠，等.三种工况下塔机标准节受力分析与优化设计[J].航空精密制造技术，2016，52（6）：49-53.

[2]朱乐民.基于装配式建筑的塔机运动规划及快速就位技术的研究[D].哈尔滨工业大学，2020.

[3]孟丽霞，付文书，李斌.基于ANSYS的内爬塔机支承爬爪支反力分析[J].机电产品开发与创新，2017，30（2）：47-48+42.