基于Ansys的某升降装置支撑平台抗冲击动力学分析

王海涛，赵 彬

（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，郑州 450015）

0 引言

支撑平台是某升降装置主要承力部件，用于在运行过程中支撑转运载荷进行升降运动。该支撑平台采用桁架结构，选用铝合金材料焊接而成，上表面设置平板，用于承载转运对象，支撑平台本体4个角设置提拉钢丝绳的安装接口。该升降装置作为船舶设备，在工作过程中除承受转运载荷外，还可能承受冲击载荷作用，根据舰船环境条件要求，需要考虑其抗冲击能力[1]，设备抗冲击能力可通过动力学分析方法进行计算。

动力学分析方法是基于结构振动模态迭加的分析方法[2-5]，支撑平台可简化为承受给定冲击输入的质量弹簧系统，通过有限元模型得到模态振型，进而通过对各阶模态解的合成可以得出设备的位移和应力，最后将这些位移和应力的计算值与规定的许用值进行比较，确定该支撑平台是否满足抗冲击要求。

本文以该升降装置支撑平台为研究对象，通过建立该支撑平台的ProE三维有限元模型（图1），在Ansys Workbench 对其进行三维模态分析的基础上，采用抗冲击动力学分析方法对支撑平台进行计算，以检验该支撑平台是否符合抗冲击要求。

图1 某升降装置支撑平台实体模型

1 模态分析意义

模态是机械结构的固有振动特性[6-7]。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型，其与结构的质量分布、刚度特性、约束形式和预应力状态有关，而与外界的激励没有任何关系。模态是结构产生扰动后，会以特定的频率发生振动，且振动的形状（振型）也始终是和特定频率保持唯一对应。若结构是单自由度系统，那么特定的振动频率只有1 个，二自由度系统对应的特定振动频率就有2个。因此，如果结构是无限自由度系统，就有无限多个特定的频率，每个特定振动频率对应的状态被称为该阶模态。当激励频率与特定频率一致时，会激发出结构该阶模态对应的特征，如振型，这时也被称为共振。模态分析的意义在于可以使结构设计避免共振或者以特定的频率进行振动。

2 抗冲击动力学分析方法

2.1 动力学分析方法

动力学分析计算主要是确定支撑平台在给定冲击方向危险区域的冲击应力和位移。

动力学分析得到的冲击应力应与支撑平台运行时受到的连续工作应力进行综合，但不需要考虑重力作用、螺栓紧固预应力和断续工作应力。因此本文只考虑支撑平台计算所得的冲击应力、位移，将所得到的应力值与许用应力值进行比较，从而评估支撑平台的抗冲击性能。

2.2 模态选择

对于给定冲击方向的具有N 个自由度的数学模型，需分析足够的振动模态数N，一般应保证总模态质量不小于分析系统总质量的80%。分析的模态中应包括模态质量大于分析系统总质量的10%的所有模态[8]。较低频率的模态应优先考虑。

2.3 冲击环境

由舰船环境条件要求可知，支撑平台应满足如表1 所示的冲击环境对应的冲击加速度和速度设计值。弹性设计和弹塑性设计根据设备是否允许出现塑性变形来确定。A0、V0分别为设备不同模态质量所对应各类安装区域的冲击谱加速度和谱速度，用下列公式计算。

对于I类安装区域：

对于II类和III类安装区域：

式中：ma为设备的模态质量，t；Aa为标称加速度谱，m/s2；Va为标称速度谱，m/s。

设备具体的设计谱依据Aa和Va采用如表1 所示的系数计算。根据式（1）～（4）确定的V0和A0，取V0与A0中的小值为动力学分析系统在给定冲击方向上的冲击设计加速度。

表1 各类安装区域A0、V0

2.4 计算模型

计算模型采用了梁单元 （beam188）、壳单元（shell181） 和实体单元（solid185），模型的坐标轴定义X 为纵向；Y 为横向；Z 为垂向。划分网格后的有限元模型如图2 所示。支撑平台本体有限元模型总质量约为2 600 kg。

工作过程中，支撑平台垂直方向由4 根钢丝绳提拉，由于钢丝绳有一定的弹性，能缓冲来自垂向的冲击，因此本计算只计算纵向（X向）和横向（Y向）两个方向的冲击。

图2 支撑平台有限元计算模型

2.5 工作载荷

支撑平台如图2所示，运行时额定载荷为6 000 kg。

2.6 边界条件

支撑平台4 根钢丝绳部位施加固定约束，导向轮按其各自作用的方向分别对X和Y方向添加约束。

2.7 冲击设计条件

按照三维动力学分析要求以及相应标准规定，支撑平台进行冲击设计分析的条件为设备抗冲击等级为A 级；设备安装位置为Ⅰ类安装区域，进行弹性分析。

3 计算结果

3.1 支撑平台设计加速度

不同方向冲击时，支撑平台所选模态的模态频率、模态质量以及设计加速度值如表2所示。为提高分析精度，在3个冲击方向所选取的模态阶数使总的模态质量尽量大，都达到总质量的80%。

表2 支撑平台冲击设计加速度

3.2 支撑平台计算应力与位移

支撑平台利用动力学分析计算所得的冲击应力、位移结果如表3所示，其应力与位移云图如图3～8所示。

表3 升降平台合成位移、应力值

图3 支撑平台上部面板横向冲击应力图

图4 支撑平台底架横向冲击应力图

图5 支撑平台横向冲击位移图

图6 支撑平台上部面板纵向冲击应力图

图7 支撑平台底架纵向冲击应力图

图8 支撑平台纵向冲击位移图

由表3以及图3～5可知，支撑平台横向冲击时，最大位移为2.6 mm，最大应力为66 MPa。由表3以及图6～8可知，支撑平台纵向冲击时，最大位移为6.4 mm，最大应力为133 MPa。由结果分析可知，支撑平台在承受两个方向冲击作用下时，支撑平台上面板和支撑平台底架的最大应力为133 MPa，小于支撑平台材料的屈服强度240 MPa。由此可知，两个方向冲击时，支撑平台的冲击安全性满足要求。

4 结束语

本文通过ANSYS动力学分析模块对某船用升降装置支撑平台进行抗冲击动力学计算和分析，计算结果表明，该支撑平台在船上I 类安装区域的抗冲击性能可以保证其结构强度，即机械结构不会发生塑性变形和失效。