2基于ANSYS龙门起重机结构系统的模态分析

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龙门起重机结构振动特性的优劣对整个龙门起重机的性能有重要的影响。振动不但可能造成龙门起重机结构的疲劳破坏,还会产生芡振和噪声。当所受激振力的频率与龙门起重机结构的某一固有频率接近时,就有可能引起结构芡振,从而产生很高的动应力,造成结构的强度破坏或产生不允许的大变形,破坏龙门起重机的性能。因此,具有足够的刚度是龙门起重机设计的基本要求,对龙门起重机的结构进行模态分析有其必要性。1模态分析理论 模态分析,也叫特征值的提取,用以求解多自由度系统自由振动的固有频率和相应振型。模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)。它是承受动态载荷结构设计中的重要参数,同时也可以作为其它更详绌的动力学分析的起点。1.1模态分析基本方程的建立 (1)振动基本方程的建立 根据龙门起重机的结构特点,弹性体振动的基本方程为:式中为加速度矩阵,为速度矩阵为位移矩阵。 (2)固有频率和振型 研究结构的动力学问题,很重要的一部分是计算结构的固有频率和固有振型,它是分析结构动力响应和其它动力学特性问题的基础,对于无阻尼的自由振动,其动力学方程为: 任何弹性体的自由振动都可以分解为一系列简谐振动的叠加,上述方程有如下的简谐振动解: 在自由振动时,结构中各节点的振幅{X o}不全为零,所以式(4)括号内的矩阵行列式的值必须为零,也就是: 结构的刚度矩阵[K]和质量矩阵[M]都是n阶方阵,n是节点自由度数目。所以,式(5)是关于的ω²的n阶代数方程。由此,可以求出结构的n个固有频率ω,对每个固有频率,可以根据式确定各节点的振幅值{X。}称为结构的振型。2基于ANSYS龙门起重机结构系统的模态分析 本文分析的集装箱龙门起重机是MG32t-38m龙门起重机,其有限元模型是具有13 5595个节点,几十万个自由度的大型系统,若求出其全部的固有频率和振型向量是非常困难的。由振动理论可知,在结构的振动过程中起主要作用的是较低阶模态,高阶模态对响应的贡献很小,并且衰减很快,故只考虑低阶模态。因此在模态分析时,选取龙门起重机前l0阶固有频率分析。这既能得出对龙门起重机影响较大的固有频率值,又能加快求解速度。 ANSYS模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束,其它载荷将被忽略。因此,具体处理方法是将小车和起升载荷的质量作为质量单元施加到主梁跨中位置,然后做无阻尼自由振动分析,得出结构系统的固有频率和振型。 小车在跨中满载时,集装箱龙门起重机第一至十阶固有频率见表l。前十阶模态振型如图l~10所示(虚线表示变形前的形状)。

3模态结果分析

(1)从固有频率的计算结果看,由于龙门起重机结构基本对称,所以有些自振频率数值非常相近。 (2)表1中数据意味着当外部激扰的频率接近表中数值时,有可能产生较大振幅,或发生芡振,使结构受到损害,可通过修改设计改变整机振动的频率范围和降低上述振动,并提高操作者的舒适性。 (3)第一阶固有振型反映了龙门起重机的横向水平振动,可由大车启、制动等原因激励起振;第二阶固有振型反映了龙门起重机的纵向水平振动可由小车启、制动等原因激励起振;第三、四、五、六阶固有振型反映了龙门起重机的横向、纵向水平摆动;第七阶固有振型反映了龙门起重机的垂直振动,可由起升机构启、制动等原因激励起振,这与实际观测到的情况相符;第九阶固有振型反映了龙门起重机的垂直扭转振动;第八、十阶固有振型反映了龙门起重机的横向水平方向的扭转振动。 (4)起重机的动态刚性(动刚度),以满载情况下,钢丝绳绕组的下放悬吊长度相当于额定起升高度时,系统在垂直方向的最低阶固有频率(简称为满载自振频率)来表征。起重机设计规范规定龙门起重走机小车位于跨中时的垂直方向满载自振频率2Hz≤f≤4Hz。该龙门起重机在垂直方向的固有频率是第7阶f=3.522Hz,说明它的动态刚性满足要求。4 结束语 (1)模态分析结果反映运行条件下龙门起重机的动态特性,。可以作为龙门起重机动力学修改的依据。 (2)得到的龙门起重机精确的振动特性参数,这对于了解现结构的振动不稳定情况以及避免结构的共振、减少噪声污染将具有重要的意义。

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