ANSYS約束模態分析在起重機車架上的應用

汪陽

摘 要：起重機車架是起重機中的關鍵部件，對其進行模態分析，防止與路面產生共振，為車架的動態分析奠定基礎。通過結構的固有頻率可判斷結構的動態特性，由于實際工況和結構中是存在各種約束和力的，故應建立結構的基本模態方程和約束模態方程。ANSYS已廣泛應用于機械機構設計中，其內部集成有模態分析模塊，并可與結構有限元分析聯合進行約束和預應力模態分析，這為通過計算機進行起重機車架約束模態分析提供了可能。對某種起重機車架進行約束模態分析，得到了車架的前六階模態，仿真結果表明車架基本不會發生共振，結構合理。

關鍵詞：起重機;車架;ANSYS;模態分析

中圖分類號：U463.32? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）13-144-03

Application of ANSYS Constrained Modal Analysis to Crane Frame

Wang Yang

（ Anhui Liugong Crane Co.， Ltd. Anhui BengBu 233010 ）

Abstract： The crane frame is the key component of the crane. The modal analysis is carried out to prevent resonance with the road surface and lay the foundation for the dynamic analysis of the frame. The dynamic characteristics of the structure can be judged by the natural frequency of the structure. Because there are various constraints and forces in the actual working condition and structure， the basic modal equation and constrained modal equation of the structure should be established. ANSYS has been widely used in the design of mechanical mechanism， and its internal integration of modal analysis module， and can be combined with the finite element analysis of structure to carry out constraint and prestressed modal analysis， which provides the possibility for the constraint modal analysis of crane frame by computer. The first six modes of a crane frame are obtained by the constrained modal analysis. The simulation results show that the frame basically does not resonate and the structure is reasonable.

Keywords： Crane; Frame; ANSYS; Modal analysis

CLC NO.： U463.32? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）13-144-03

1 引言

起重機能夠在一定的使用范圍內提升、運輸、裝卸重物[1，2]。起重機的結構基本由起升機構、運行機構、變幅機構和回轉機構等組成[3，4]。其吊臂、轉臺和車架占據起重機大部分重量，因此，對車架的研究十分重要。振動模態是機械結構的固有特性，通過模態分析可預先了解結構在此頻段內的振動響應，為機械結構動態設計和故障診斷提供參考依據[5]。ANSYS軟件將結構力學、熱力學、流體力學、電磁學、聲學、電化學等學科融為一體，以有限單元法（FEM）為基礎，組成一款大型通用有限元分析軟件，提供了建模和網格劃分功能，用戶可根據需要建立所需的有限元模型，或使用第三方三維建模軟件進行建模，如SolidWorks、UG、CATIA等，將建立好模型后導入ANSYS即可。

ANSYS內部集成有模態分析模塊，該模塊支持線體、表面體、實體的建模和分析，在模型設置中必須定義材料的楊氏彈性模量、密度和泊松比。模態分析模塊可與結構靜力分析模塊進行聯接，以進行約束和預應力模態分析。

2 ANSSY模態分析

2.1 模態分析基本理論

模態振型、阻尼和頻率是機械結構的特征，通過這些結構特征對結構進行描述即為模態分析[6]。機械結構的每一個模態可由數學模型計算、仿真或物理試驗方法獲得。其中，數學模型計算需對模型進行許多簡化，模型的許多結構細節將被忽略，這會降低計算的準確性。物理試驗方法能夠較準確地得到結構的固有特性，但物理試驗的成本較高，且需要更多的試驗時間。故采用計算機輔助分析方法對機械結構進行模態分析是一種經濟高效的分析手段。振動頻率和模態振型是模態分析方程的基本參數，模態分析基本方程為：

（1）

式中，[K]為剛度矩陣;[M]為質量矩陣;ωi為第i階振動頻率;?i為第i階模態振型。

在實際工況中，結構通常存在各種約束邊界，如旋轉幅約束、固定約束等，同時又存在各種載荷邊界，如定常力、定常壓強等。在這些邊界條件的作用下，可能會影響結構的固有頻率，故應在模態分析的基本方程中加入應力剛度項：

（2）

式中，[S]為應力剛度矩陣。

2.2 ANSYS模態分析模塊

ANSYS內部集成有模態分析模塊，支持線體、表面體、實體的建模和分析，可與結構靜力分析模塊聯接進行約束和預應力模態分析。應用ANSYS進行結構模態分析的基本步驟如圖1所示。

在ANSYS Workbench中可選擇找到模態分析模塊并拖拽啟動。啟動模態分析模塊后，可進一步選擇需要進行聯接的模塊，如可聯接幾何模型模塊、靜力結構有限元分析模塊、熱分析模塊等。模態分析的幾何模型可以通過ANSYS自帶的建模模塊進行建模，也可通過其三方軟件進行建模后導入ANSYS。若模態分析模塊與幾何模型模塊進行了聯接，則幾何模型自動導入模態分析模塊，同理，若與靜力結構有限元分析模塊聯接，將于其共同使用同一幾何模型。ANSYS提供了材料屬性設置庫，用戶可自定義材料屬性，對于模態分析來說，材料屬性中必須設置楊氏彈性模量、材料密度和泊松比。材料定義好后即可進入模型處理模塊，將材料配置到對應零件，如果需要，可進行接觸的定義，接觸能夠更好地模擬實際物理模型，但定義接觸會增大計算的時間。用戶可根據模型特點設定不同的網格控制類型，如大小網格控制、膨脹層網格控制等。在求解前可設置求解階數，默認求解前六階模態固有頻率及振型，求解后即可查看各階的模態頻率以及對應的振型。

3 起重機車架模型及模態分析

3.1 起重機車架模型

某種起重機車架模型如圖2所示。模型在Pro/E中建立，為實體三維模型。在對計算結果影響不大的情況下，可對模型進行適當的簡化，如非承重構件的圓角簡化為直角;固定支腿與活動支腿固結;部分活動空間非常小的連接件進行固結等。在模型中定義結構的旋轉約束、移動約束等，為約束模態分析做準備。

3.2 模態仿真結果分析

取模態仿真結果的結果的前六階固有頻率分別為：65.4 Hz、71.4 Hz、78.8 Hz、85.2 Hz、98.5 Hz、107.2 Hz。振型較好。車架在工作時主要受路面激勵、發動機激勵、傳動軸激勵的影響。車架的第一階固有頻率為65.4 Hz，大于平坦路面的固有頻率（<20 Hz），因此該車架基本不會與路面發生共振，其結構設計合理。

4 結束語

起重機車架是起重機中的關鍵部件，對其進行模態分析是進一步研究其動態性能，防止共振產生的必要步驟。實際工程中常使用約束模態分析方程進行分析，在ANSYS中集成有模態分析模塊，將車架模型導入ANSYS中，取前六階約束模態固有頻率，結果表明車架基本不會與地面發生共振。

參考文獻

[1] 吳榮土，李輝，高強.塔式起重機頂升套架設計及有限元分析[J].建筑機械化，2019，40（08）： 18-21.

[2] 王德江，趙金國，楊德松，等.基于ANSYS的起重機臂架應力分析[J].現代制造技術與裝備， 2019（07）： 22-24.

[3] 宋晉民.重型橋式起重機橋架模態分析[J].中國重型裝備，2017

（01）：1-5.

[4] 曹付義，李金龍，崔夢凱， 等.中小型汽車起重機車架結構多學科優化[J].機械設計與制造， 2020（03）： 39-42.

[5] 李發宗，童水光，王相兵.基于模態分析的液壓挖掘機工作裝置動態優化設計[J].農業機械學報， 2014，45（04）： 28-36.

[6] 王林軍，王錟，杜義賢， 等.基于ANSYS-Workbench的液壓機機架模態分析及拓撲優化[J].煤礦機械， 2019，40（03）： 79-83.