基于ANSYS的長(zhǎng)臂架模態(tài)分析與試驗(yàn)分析

姜天明 焦猛

摘要：長(zhǎng)臂架構(gòu)造運(yùn)作階段因振動(dòng)引起的動(dòng)態(tài)應(yīng)力較大，可能對(duì)鋼結(jié)構(gòu)完整性構(gòu)成損傷。本文將云梯消防車(chē)臂架設(shè)為研究對(duì)象，基于有限元軟件ANSYS建設(shè)完善化的臂架動(dòng)態(tài)分析模型，分析與測(cè)算其模態(tài)，比較分析臂架模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)臂架;試驗(yàn)?zāi)B(tài);振動(dòng);有限元分析

引言

云梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成的沖擊與振動(dòng)情況是造成鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)損傷的主要因素之一，云梯臂架是云梯的主要承力構(gòu)件之一，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度和其運(yùn)作過(guò)程可靠性、安穩(wěn)性存在緊密的相關(guān)性。捕獲結(jié)構(gòu)自體的剛度屬性即結(jié)構(gòu)的固有頻率與振動(dòng)類(lèi)型，有針對(duì)性的使用調(diào)整手段，能使長(zhǎng)臂架運(yùn)作階段規(guī)避由共振因素引發(fā)的破壞。臂架為云梯消防車(chē)的重要構(gòu)成，其持有的力學(xué)屬性關(guān)系著消防車(chē)的消防和救援能力，本文基于ANSYS軟件建設(shè)臂架動(dòng)態(tài)模型，做出相應(yīng)的分析與測(cè)算。

一、建設(shè)與簡(jiǎn)化有限元模型

為精確測(cè)算出振動(dòng)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，建設(shè)一個(gè)能真切呈現(xiàn)出系統(tǒng)現(xiàn)實(shí)狀況的動(dòng)力學(xué)模型及相配套的數(shù)學(xué)模型。

結(jié)合云梯臂架的構(gòu)造特征，采用ANSYS軟件建設(shè)云梯臂架梁殼模型，在具體建模階段，應(yīng)落實(shí)如下幾點(diǎn)內(nèi)容：

（1）各節(jié)梯架模型規(guī)格和裝配方位和現(xiàn)實(shí)尺寸方位等同;

（2）利用集中質(zhì)量點(diǎn)替代鋼絲繩、滑輪座等對(duì)結(jié)果僅形成輕微影響的結(jié)構(gòu);

（3）利用兩仰伏油缸將云梯臂架支撐于轉(zhuǎn)臺(tái)上方，因臂架底架與轉(zhuǎn)臺(tái)剛度偏大，則認(rèn)為于底部可以承載彎矩，假設(shè)其是固接支座;

（4）工作斗始終要和地面成角90°，故而可以把其簡(jiǎn)化成一個(gè)集中力和彎矩。

動(dòng)態(tài)分析階段，因結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度分布情況是影響固有頻率和主振型的主要因素，故而其要求全結(jié)構(gòu)最好應(yīng)用勻稱(chēng)的網(wǎng)格形式。模型的規(guī)模信息如下：節(jié)點(diǎn)16404個(gè)、單元9826個(gè)（Beam188、she1163、mass2l單元依次為7870、1948、10個(gè)）。

二、測(cè)算模態(tài)

固有頻率和振型向量均是表示振動(dòng)系統(tǒng)特性的重要物理指標(biāo)，偏低的、大量的固有頻率級(jí)與之相對(duì)應(yīng)的振型向量對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)做出較高貢獻(xiàn)，因此在專(zhuān)研系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)僅需了解少部分的固有頻率與振型向量。采用ANSYS求解器，解讀臂架有限元模型的模態(tài)，獲得梯架結(jié)構(gòu)前六階固有頻率與振型，1、2、3、4、5、6階梁殼模型測(cè)算頻率分別為0.687Hz、1.058Hz、1.704Hz、2.738Hz、4.185Hz、5.215Hz，其中一階振型可以做出如下闡述：一節(jié)點(diǎn)上下彎曲，振型圖見(jiàn)圖1[1]。

三、模態(tài)的試驗(yàn)研究

激振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)檢測(cè)與分析系統(tǒng)是試驗(yàn)系統(tǒng)的重要構(gòu)成。其中，激振系統(tǒng)的構(gòu)成和模態(tài)試驗(yàn)研究中激勵(lì)信號(hào)發(fā)出情況密切相關(guān)，激勵(lì)信號(hào)的作用以調(diào)控能量輸入情況為主，驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)純模態(tài)的產(chǎn)出過(guò)程，但需要輔助使用數(shù)套激振器進(jìn)行激勵(lì)，要數(shù)次調(diào)試輸入力大小及相位，需耗用較多的人力、時(shí)間成本，且裝置購(gòu)置成本較高。激勵(lì)源產(chǎn)出的脈沖信號(hào)即為瞬態(tài)激勵(lì)信號(hào)，其作用一捕獲脈沖響應(yīng)情況為主，有快速、便捷的優(yōu)勢(shì)，對(duì)被檢構(gòu)件質(zhì)量與剛度未提出嚴(yán)格要求，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情景中有較高的適用性，故而本試驗(yàn)中擬定選用捶擊激振法進(jìn)行。

結(jié)合信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)的購(gòu)徐恒、運(yùn)作原理，試驗(yàn)研究中選用集成壓電式傳感器，基于粘結(jié)形式予以固定。

試驗(yàn)極端長(zhǎng)臂架朝向后方水平整體伸展，基于捶擊法原理檢測(cè)振動(dòng)模態(tài)參數(shù)，圖2是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖[2]。

結(jié)合采樣定律，要求采樣頻率一定要高于被檢測(cè)固有頻率的2倍。已知有限元分析時(shí)云梯臂架前六階固有頻率峰值為5.215Hz，設(shè)定試驗(yàn)階段采樣頻率為25.6Hz，采樣頻率對(duì)應(yīng)的有效帶寬12.5Hz，分辨度為0.1Hz。在檢測(cè)二輸入、多輸出對(duì)應(yīng)的頻響函數(shù)時(shí)，基于自功率、互功率圖譜測(cè)算出響應(yīng)函數(shù)，檢測(cè)完六個(gè)位點(diǎn)后計(jì)算平均值，在H1估計(jì)法的輔助下測(cè)求出頻響函數(shù)的最小二乘相近值。

依照ANSYS模態(tài)分析結(jié)果，立足于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件及傳感器的所屬類(lèi)別與實(shí)際配置數(shù)目，構(gòu)建梯架模態(tài)試驗(yàn)的幾何模型，長(zhǎng)臂架上共計(jì)設(shè)置34個(gè)檢測(cè)位點(diǎn)，對(duì)稱(chēng)部署于長(zhǎng)臂架下弦管兩個(gè)側(cè)端（見(jiàn)圖3）[3]。觀測(cè)云梯的第一階振型，將其定義成一階彎曲模態(tài)，在上下方向進(jìn)行振動(dòng)，結(jié)合如上情況將傳感器裝設(shè)于豎直向，檢測(cè)豎直向響應(yīng)產(chǎn)出情況即可。

在模態(tài)試驗(yàn)階段中，操作者要重點(diǎn)關(guān)注頻響、相干函數(shù)，當(dāng)頻響函數(shù)趨于穩(wěn)態(tài)，相干性較優(yōu)良時(shí)，就可以終止收集動(dòng)作。利用采獲到的數(shù)據(jù)測(cè)算出云梯消防車(chē)輛長(zhǎng)臂架的模態(tài)指標(biāo)，具體是測(cè)得前四階的頻率、阻尼以及振型，

結(jié)束語(yǔ)：

本文通過(guò)建設(shè)云梯臂架ANSYS有限元模型并對(duì)其做出簡(jiǎn)化處理，對(duì)模態(tài)加以分析，并和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中獲得的六階頻率數(shù)值及振型做對(duì)比分析，以期能為長(zhǎng)臂架結(jié)構(gòu)完善、優(yōu)化提供可靠參照。

分析表1中數(shù)據(jù)后，發(fā)現(xiàn)模擬測(cè)算出的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果誤差基本在10.0%內(nèi)，振型出現(xiàn)的次序大體相同，因模態(tài)試驗(yàn)階段存在誤差，故而理論測(cè)算出的結(jié)果可信度較高，提示本文建設(shè)的有限元模型精確度較高、簡(jiǎn)潔性較好、適用性較強(qiáng)，有一定推廣價(jià)值。

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