基于整机的龙门起重机动态特性分析

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Analysis of dynamic characteristics of gantry crale as a complete unitCHENG Xue-li ，AN Lin-chao ，YUE Da-ling ，ZHAI De-mei(1.Department of Mechanical Engineering，Henan Mechanical and Electrical Enginering Colege，Xinxiang 453002，China；2.Co lege ofEnergy and Power Engineering ，Lamhou Univ.of Teek ，Lanzhou 730050，China)Abstract：Taking the complete unit of container gantry crane as investigation object，an analysis model ofits dynamic characteristics was etablished based on the software ANSYS，and all orders of systemS natu-ral frequency and vibration mode were obtained.When the natural frequency of the complete system isclose to the frequency of the excitation force，there may occur structural resonances，resulting in fatiguefailure or poor rigidity.Therefore，the designer should choose reasonable structure parameters in the de-sign process to change the frequency range of the machine vibration。

Key words：gantry crane；modal analysis；ANSYS；system集装箱龙门起重机是提高装卸作业效率、减轻工人劳动强度、用途十分广泛的大型起重设备.对于大型集装箱龙门起重机，其振动特性的优劣对整个龙门起重机的性能有重要的影响.当受到激振力的频率与龙门起重机结构的某-固有频率接近时，有可能引起结构共振，从而产生很大的动应力，造成结构的强度破坏或产生过大变形，破坏龙门起重机的使用性能[1 ].因此研究龙门起重机的自振频率和振型能有效避免共振的发生，对生产人员和生产效益有重大意义.目前国内外对起重机的动态和模态分析已经比较成熟，但大部分是对起重机的某个构件进行分析，得出起重机某个构建失效的主要原因及预防措施，没有对起重机整体系统性分析，对整机系统的稳定性和振动特性研究较少.本文利用有限元收稿日期：2013-01-18基金项目：国家自然科学基金(50775155)作者筒介：程雪利(1978-)，女，河南濮阳人，讲师。

分析软件 ANSYS建立门式起重机整体动力学模型，从系统的角度对其金属结构进行动态特性分析，求解出系统前 1O阶固有频率和振型等动态特性参数，为整机的优化设计和振动稳定性等分析提供科学依据 ]。

1 模态分析基本理论模态分析主要用于计算系统固有模态的2个基本参数：固有频率和固有振型.它们表明了系统自由振动的特性，对于给定的系统，系统振型向量的比值与固有频率都撒于系统物理参数，是系统固有的。

如果知道了结构的固有频率，便可以在设计时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激振频率.另外，通过对模态振型的分析，还可以了解主梁整体弯曲刚度和扭转刚度的分布情况[s-q。

模态分析的核心内容是确定描述结构系统动态特性的模态参数.根据 Alembert D原理，引入相应的惯性力，可将弹性体的动力学问题简化为相应的第 4期 程雪利等：基于整机的龙门起重机动态特性分析 ·29·静力问题，其动力有限元的基本方程为朋 麟 -F (1)式中：M为质量矩阵，c为阻尼矩阵，K为刚度矩阵，x为位移向量，F为作用力向量，t为时间。

在模态分析过程中，因结构阻尼较小，对固有频率和振型影响甚微，故忽略不计.因此，结构振动系统的特征方程为麟 F (2)系统的自由振动可以分解为-系列简谐振动的叠加，各节点位移为X - (3)则用(K- ∞ MO)-O (4)求出特征值 ∞。和特征向量 ，得到系统各阶固有频率和固有振型[似]。

要撒于质量分布和刚度，细节的影响不大，这时可考虑较少的细小特征对于频率没影响或影响很小的特征进行简化处理.如主梁与端梁之间的螺栓连接简化为刚性连接，主梁和端梁连接部位的-些小三角筋，因为端部基本不受力，在建立模型时，做适当的合并或消除[9]。

3)在边界区域以及精度条件要求不高的区域采用 自由网格划分，在主梁和支腿连接部分根据形状采用手动划分为三角形单元或四边形单元。

4)起重机金属结构材料为 Q345，其弹性模量E210 GPa，泊松比 -0.3，屈服极限 a--"345 MPa，密度p-7 850 kg/m。，最终建立的有限元模型及约束情况如图1所示。

5)约束处理.将整个桥架模型简化为-简支梁，限制两个端梁支撑处的垂直位移，限制-侧支撑处的水平位移约束。

2 龙门起重机有限元计算模型 3 系统模态计算及分析2.1 集装箱龙门起重机基本构造和主要参数起重机基本构造如图 1所示，金属结构主要由下横梁、柔性支腿、刚性支腿、主梁、端梁、门框结构组成.龙门起重机的起升质量为50 t，跨度为30 m，有效悬臂为 6.5 m，起升高度为 12.5 m，小车起升速度为 1O.5 m/rain，小车运行速度为 65 m/rain，大车运行速度为 54 m/min，整机工作级别为 A5。

腿蜜 图 1 MQ50-30型龙门起重机结构示意图晷1 Schematic diagram of structure of MQSO-30 typegantry crane2.2 有限元模型的建立大型龙门起重机结构复杂，建立有限元模型过程中无法将所有因素都考虑进去，因此需要对龙门起重机进行必要的简化和-些假设，建立既有利于有限元分析计算，又能较真实的反映结构模型实际工作状态的有限元分析模型.有限元模型建立的要点包括以下几个方面：1)主梁和支腿为Q235或Q345焊接而成的薄板结构，模态分析中按板壳单元 SHELI 63来模拟钢板。

2)动态分析时结构的固有频率和模态振型主本文分析的箱型双主梁集装箱龙门起重机系统，有限元模型节点总数有 6 634个，自由度多达上万个，若要求出全部的固有频率和振型向量是非常困难的.在结构的振动过程中起主要作用的是较低阶的固有频率和对虚的振型，因此模态分析时选取O～2O Hz频率段进行分析计算，经分析得出该龙门起重机低频段固有频率.小车位于跨中和悬臂端时，系统前 0阶固有频率见表1和表2，系统前7阶模态振型如图2～8所示(虚线表示变形前的形状)。

(a)小车位于跨中(b)小车位于悬壁端图 2 系统第 1阶振型2 Fkst-der vibration mode of system