可拆卸式天车横梁动态特性仿真研究

随着社会的进步和技术的不断发展，大型起重机的高效率越来越受到施工单位的欢迎。横梁作为天车重要的承力部件，是起重机的核心组成部分，承受着多种载荷，包括：天车制动时所产生的冲击载荷、突然加载所产生的冲击载荷、突然卸载所产生的冲击载荷等，因此，天车横梁结构的设计要求也远高于其他结构，其性能优劣将直接影响整个起重机的工作性能[1]。

目前，在起重机械横梁结构研究方面，主要是对起重机横梁结构进行减重、轻量化设计，主要从两个方面进行，一种是优化其结构设计，另一种方法是使用特殊材料。国内学者秦东晨等[2]采用变密度法结合有限元分析技术采用拓扑优化方式对起重机横梁腹板进行了轻量化设计；李佐斌[3]创新设计了一种新型横梁腹板结构；王超等[4]创新采用了基于人工蜂群的算法对某型起重机主梁进行了拓扑优化；朱学敏[5]利用ANSYS拓扑优化功能结合免疫蚁群算法优化设计了桥式起重机的结构。

本文以某型天车重要的承力部件横梁结构为研究对象，运用有限元分析软件ANSYS Workbench仿真研究处于不同工况状态下的天车横梁结构静态特性，研究不同工况状态下天车横梁结构的变形、应力分布情况，并基于模态分析理论通过模态分析天车横梁结构的固有频率及振型。

1 静力学有限元分析

1.1 横梁结构组成

可拆卸式天车横梁结构如图1所示，横梁结构设计采用模块化设计，根据实际使用环境，通过拆装销钉来实现横梁对不同长度的需求。

1.主梁； 2.侧梁； 3.肋板； 4.横梁； 5.天车； 6.销钉； 7.安装底板
图1 可拆卸式天车横梁结构图

1.2 有限元模型建立

天车横梁静力学分析的目的是根据天车横梁结构应力、变形集中部位的峰值大小，来判断天车横梁结构设计的合理性。本文主要研究在实际工况下天车横梁结构的应力、变形分布情况。在对可拆卸式天车横梁结构进行静力学分析时，首先运用三维建模软件Pro/E建立横梁各个模块之后再进行组装。在进行有限元分析前，检查模型装配是否有干涉。确保模型正确后，将其另存为IGS通用格式文件。在导入几何模型后进行材料参数的设置，可拆卸式天车横梁结构在设计时采用Q235方钢，其主要材料性能参数如表1所示。

表1 材料性能参数

对天车横梁结构进行网格控制时，由于横梁结构较为规则，首先设置体尺寸为5 mm对其进行有限元网格划分。为了提高有限元分析效率，将一些对有限元结果没有影响的孔、凸台进行删减，经过网格划分后得到的天车横梁结构有限元模型共有240 480个节点和112 792个单元，划分结果如图2所示。

图2 可拆卸式天车横梁有限元模型

1.3 边界条件设置及结果分析

空载状态天车横梁不仅承受吊车的重量还要承受额定载荷100 kN以及天车制动时产生的惯性力0.32 kN，有限元仿真时将横梁底部固定，天车安装部位施加116.32 kN的集中载荷，方向沿y方向竖直向下，经过分析得到了实际工况下天车横梁的变形和应力分布情况(如图3所示)：

(1)

式中λ=1.5为静载系数，FN=100 kN为额定载荷，FQ=16 kN为吊车自重。代入数值得

对图3分析可知，实际工况下天车横梁最大应力为72 MPa，出现在图3(b)中放大区域即天车横梁中部侧梁，与屈服强度235 MPa相比较小，因此可以看出天车横梁结构设计较为合理。最大变形为0.22 mm，产生于横梁的端部。

2 动态特性分析

2.1 横梁模态分析

将天车横梁三维模型导入ANSYS Workbench中进行模态分析时，首先对横梁各个部件之间的连接做处理，将各个零件之间的接触设置为绑定约束，之后在天车横梁底部设置固定约束。模态分析方法采用Block Lanczos法，模态提取阶数设置为六阶[6](如图4所示)。

(a) 横梁变形云图 (b) 横梁应力云图
图3 天车横梁变形、应力云图

图4 天车横梁模态振型云图

从图4可以看出，横梁的一阶模态频率为21.6 Hz，其振型主要表现为横梁端部在xOy平面内左右摆动；横梁的二阶模态频率为35.8 Hz，二阶模态振型主要表现为横梁端部在xOy平面内上下摆动；横梁结构的三阶模态频率为44.4 Hz，三阶模态振型主要表现为横梁端部在xOy平面内沿着z轴扭转；横梁的四阶模态频率为52.0 Hz，四阶模态振型主要表现为横梁结构整体沿着z轴摆动，横梁前端与后部摆动方向相反；横梁结构的五阶模态频率为52.2 Hz，五阶模态振型主要表现为横梁整体沿着z轴摆动，横梁前端与后部摆动方向相同；横梁的六阶模态频率为90.3 Hz，六阶模态振型主要表现为横梁结构端部在xOy平面内左右摆动。

2.2 横梁谐响应分析

谐响应分析可以确定指定频率荷载下的结构系统响应特性，在给定频率范围内加载然后从响应值与频率变化曲线中找出与最大响应值相对应的频率，最后注意该频率下相应结构的最大应力，通常用于测试结构系统是否可以克服振动共振疲劳的影响[7-8]。根据模态分析的结果，发现横梁的中部以及端部的变形较大。通过ANSYS计算，得到横梁中部以及端部的振动幅值随着频率变化的曲线图，如图5、图6所示。从图中可以看出，x方向的峰值应力值均比较小，最大峰值响应发生在频率20～40 Hz之间，根据上文模态分析的结果对比发现最大峰值响应与第二阶固有频率接近，最大应力值为1.1 MPa；对于y方向，在频率为20～40 Hz之间时，峰值响应力值达到了最大，最大应力值为40 MPa，响应峰值频率与第二阶固有频率接近；在z方向上当外界激励频率与第二阶固有频率接近时，峰值响应力值达到了最大，最大应力值为130 MPa。

(a) x方向 (b) y方向 (c) z方向
图5 横梁中部频率响应图

(a) x方向 (b) y方向 (c) z方向
图6 横梁端部频率响应图

3 结 论

通过对可拆卸式天车横梁结构进行简化，建立横梁的有限元模型，之后对其进行了动态特性分析。研究结果如下：

(1)首先本文根据实际天车横梁的工作状态，在天车横梁结构有限元分析时，根据实际工况仿真时设置了相应的边界条件，经过有限元静力学分析发现天车横梁结构的最大变形发生在天车横梁的中部以及端部，最大应力发生在天车横梁中部侧梁处，其应力最大为72 MPa，且最大应力值远远小于Q235方钢的抗拉强度，进一步说明了可拆卸式天车横梁设计的合理性。

(2)通过动态特性分析得到了天车横梁结构的固有频率和振型，得到了天车横梁结构在实际工作时可能发生共振的频率分布范围。实际工作时电机的骤停和瞬间的开起会产生持续的周期性载荷，经过谐响应分析发现，在20～40 Hz频率范围内天车横梁应力值突然增大，因此在进行工作时，为了保证天车横梁工作的可靠性，首先应该避开在危险工作频率下进行作业，同时对其结构进行进一步的优化。