基于ANSYS的港口门座式起重机模态分析

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港口是海西建设的重点领域，大型港口机械是港口货物装卸的核心设备↑年来，大型港口机械得到了空前的发展，整体结构越来越趋向于大型化和专业化。港口门座式起重机使用频繁、工作级别高，使用环境恶劣，容易产生疲劳裂纹、腐蚀等缺陷，-旦发生事故，容易造成重大损失，应作为重大危险源进行重点监控。对港口门座式起重机进行模态分析，研究其固有频率和振型，是港口起重机设计和使用的重要环节，有利于得到其动态特性，进而为港口门座起重机的优化设计、故障诊断及安全使用提供依据。

1 模态分析理论模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，组成以模态坐标及模态参数描述的独立方程，求出系统的模态参数。根据达朗伯原理，有限自由度的弹性系统运动方程，矩阵形式为：( 百)c№[ Hq：R( ) (1)式中： 1--质量矩阵；c1--阻尼矩阵； 1--刚度矩阵； --位移向量；尺( ) -～作用力向量；t--时间。

固有特性与外载无关，且阻尼对固有频率及振型影响不大，可忽略。式(1)变为：[M№) g)0 (2)式(2)的解可设为-系列简谐振动的叠加：q)： (3)式中：CO～-简谐振动圆频率； )-～节点振幅列向量。

将式(3)代入式(2)并消去因子，可得：([K]-0)2[M) )0 (4)求解式(4)u-T以得到n个特征值和相对应的个特征向量。其特征值的平方根就是结构的i阶固有频率，特征向量 1就是结构的i阶模态振型，即振型。

2 港口门座式起重机有限元模型本文以某公司生产的港口门座式起重机为研究对象。其额定起重量为25 t，工作幅度为8～20m，起升高度为26 11，最大起重力矩为5000 kNm，整机工作级别为A6。根据整机结构特点，利用ANSYS软件建立有限元分析模型。

单元类型：根据门座式起重机的结构特点，对于结构钢板部分采用SHELL63单元建模，转台配重和平衡梁配重通过MASS21单元施加到起重机金属结构上。

材料特性：根据该产品的图纸，主要结构的材料为Q345-BIQ235-B。两种材料的弹性模量E2.06x10Pa ， 泊 松 比 03， 密 度P7.85x10 kg/m 。

边界条件：根据ANSYS建模设置的坐标系，门座式起重机4个支点中，限制轨道方向同-侧支腿的3个方向的平动和绕3个轴转动的自由度，另外两个支点释放沿轨道方向的平动自由度，约束其余自由度。各机构之间通过耦合关系铰接。

3 计算结果与分析3.1 -种工况下整机固有频率和振型作者简介：郑仲：(1981-)，男，工程师，主要从事机电类特种设备检测与研究。

第 2期 郑仲浪：基于 ANSYS的港口门座式起重机模态分析 16l模态分析是整机动力学分析的基矗评价-个设备的动态性能，主要看该结构的低阶频率。

该港 口门座起重机在臂架系统处于最小幅度，且与大车轨道平行(设为工况1)时的前五阶模态的固有频率如表1所示。由表1可以看出，该设备的- 阶固有频率为1.203 Hz。

表1 工况1下整机各阶固有频率模态阶数 频率/Hz1.2031.6822.0592.8423.440该门座式起重机各阶模态下的振型如图1所示，-阶振型为整机在臂架平面内的振动，二阶振型为整机垂直于臂架平面的振动，三阶振型为臂架系统在臂架平面内的摆动，四阶振型为整机扭动，五阶为臂架系统与平衡系统在臂架平面内的联动。

(a)-阶振型 (b)二阶振型(C)三阶振型 (d)四阶振型(e)五阶振型图1 工况 1整机振型云图3.2 不同工况下整机固有频率分析当臂架系统处于不同幅度，与大车运行轨道不同夹角时，门座式起重机整体刚度矩阵将发生变化，其固有频率也将发生-点的变化。本文研究了不同工况下门座式起重机固有频率如表2、表3fi)r示。表中角度值为臂架系统与大车运行轨道的夹角。

表 2 整机处于最小幅度的固有频率由表2、表3可以得到不同幅度下整机固有频率的变化趋势(如图2、图3所示)。整机最大幅度下固有频率比最小幅度是稍微大些。整机处于最小幅度和处于最大幅度时的-阶、二阶固有频率变化趋势相同，-阶固有频率随角度的增大而增大，二阶固有频率随角度的增大而减校而整机处于不同幅度的三阶、四阶、五阶固有频率变化趋势相反：整机处于最小幅度时的，三阶固有频率随角度的增大而增大，四阶、五阶固有频率随角度的增大而减小而整机处于最大幅度时，三阶固有频率随角度的增大而减小，四阶、五阶固有频率随角度的增大而增大。

图2 整机处于最小幅度的固有频率162 机电技术 2013年4月图3 整机处于最大幅度的固有频率4 结论1)港口门座式起重机整机结构的模态分析，可以得到整机的固有频率和阵型，可为港口门座式起重机的动态分析、稳定性分析、设计优化和安全使用提供参考。

2)港口门座起重机的固有频率会随着幅度和臂架系统与轨道的夹角变化，在最小幅度，且臂架系统与轨道平行时，固有频率最小，为1.203 Hz。