基于ANSYS的塔式起重机臂模态分析

肖辉 李超 杨代云

摘 要：为解决某型号塔式起重机起重臂变形弯曲失效故障，由此展开研究并建立了有限元软件分析模型，分析现有起重臂在自身负载及其风载下变形弯曲的问题（原因）。以塔机臂为研究对象，进行模态分析，得出了其前六阶的固有频率以及振型。针对在转动、起重过程中自身负载激励以及风载激励下塔机臂产生的振动变形现象，提出一系列改进方法，为该型号起重臂结构设计、振动源布置提供了理论计算依据。

关键词：塔式起重机;起重臂;模态分析;振动变形

中图分类号：TH213.3        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.09.007

0 引言

塔式起重机广泛用于我国建筑行业，其工作效率高，对环境要求较低，配合变幅小车以及回转台，能在规定的最大起重重量和最高起吊高度构成的圆柱空间内快速转运重物[1]。

塔式起重机不断变幅起吊的过程中，在自身荷载激励下，起重臂各构件会出现不同情况的变形，在不稳定风载激励下会导致起重臂不同部分的振动变形，该种情况会影响其使用寿命，并存在安全隐患。当所受激振力的频率与塔式起重机结构的某一固有频率接近时，就有可能引起结构共振，最终会造成结构的强度破坏或者产生的变形超出允许值的范围，使得塔机的性能受到较大的影响。

为解决某型号塔式起重机起重臂振动变形问题，构建该机型的有限元模型，通过对不同阶数和频率下起重臂的振型特点进行分析，了解其变形特点，为今后塔式起重机的改进设计提供理论依据。

1 建立有限元模型

1.1 构建三维塔机起重臂模型

起重臂由上弦杆和下弦杆通过之间的斜拉杆构成，各杆件通过螺栓连接，模型见图1，在构建时忽略一些对模态结果影响不大的因素[2]。表1是各金属构件的截面参数和构件类型。

1.2 ANSYSAPDL模态分析思路

利用有限元分析模型确定模态试验的测量点、激励点、支持点（悬挂点），参照计算振型对测试模态参数进行辩识命名。

利用试验结果对有限元分析模型进行修改，利用有限元模型对试验条件所产生的误差进行仿真分析，如边界条件模拟、附加质量、附加刚度所带来的误差，并对其进行消除。两套模型频谱一致性和振型相关性分析。利用模态分析模型在不同阶数和频率下，各构件发生的振动变形情况。

1.3 建立有限元模型的要点

有限元建模的总则是根据工程分析的精度要求，建立合适的能模拟实际结构的有限元模型。有限元建模应满足平衡、变形协调、刚度等价以及构件传力特点，以免构件失真。

边界条件：在结构的边界上必须严格满足已知的位移条件。连接条件：在模型交界处必须妥善处理，满足连接的刚度要求，让模型不失真，进而得到更加准确的计算结果。

2 模态分析结果

2.1 约束方式

约束模态是把塔机起重臂一端固定，连接处通过刚性连接实现全约束，没有位移[3]。

2.2 模态分析

通过有限元软件对塔机起重臂模态分析计算，分为自由模态分析和约束模态分析，由振动理论可得，低阶固有频率对结构动态响应的影响要大于高阶固有频率的影响[4-5]。得出了该模型对应的前6阶的固有频率和相应的振型。塔机起重臂的固有频率和振型属于固有特性，与外荷载无关[6]。

對于第1阶塔机起重臂振动变形主要在下横梁尾端。

对于第2阶两种情况变形情况不一样，变形最大处分别在斜拉杆和底部横梁尾端。

对于第3阶塔机起重臂最大位移处也分别在中间主横梁中部和斜拉杆中部。

对于第4阶，自由模态下构件主要是左右摆动，角度值偏幅最大的位置在底部主横梁连接处，而约束模态下存在左右摆动和上下扭动，最大位移处在斜拉杆末端。

对于第5阶两种情况下的构件变形都比较大存在上下弯扭和左右摆动，最大位移处在顶部主横梁连接处。

对于第6阶，自由模式下上下弯转的最大值在底部主横梁，约束模态下有上下扭摆和左右摆动，主要位置分别位于下弦杆连接处和斜拉杆中部。各阶对应的自由模态下的振型图如图2～图7，约束模态下的振型图如图8～图13所示。表2、表3为各阶对应频率。

塔机起重臂固有频率和塔机实际收到的自身激励以及外接激励不能相同，也就是施加在塔机臂上的频率要避开各阶模态频率，振动源功率和回转下车的转动速率以及风载都要考虑，以免引起共振，造成安全事故，所以求解各阶结构模态具有重要意义。

3 改进方法

（1）在振动源频率已知的情况下，前三阶可以考虑改变结构构件的连接和截面尺寸。

（2）在已知起重臂固有频率时，设置振动源要考虑到回转小车转动以及起吊重物的摆动引起的频率变化。

（3）在约束模态下，下横梁以及下横梁连接处的振动变形尤为严重，设计时可着重考虑构件在工作下的性能发挥。

（4）风载对塔机整体的侧向稳定影响很大，在风载强度超过一定强度时，有关管理人员要对其各项数据进行监督，确保其稳定运行。

（5）针对塔机抗风设计要求，可以对起重臂的部分结构进行合理的加强，塔基整体承受风载时，在保证其工作性能的基础上减少压差阻力。

4 结论

通过对某型号塔机起重臂的建模进行模态分析，了解其固有频率与振型特点，对振动源的布置和输出频率的选择以及后期对塔机的管理维修检测有指导作用，利用有限元软件对结构参数进行修改，以满足其行业标准进行模态分析，了解其结构的可行性，对其后期优化改进具有重大意义。同时模态分析也对自由模态和约束模态的振型进行了对比，从振型图上可以看出明显的差异，因此，可以对塔式起重机在不同的约束形式下工作振动频率进行分析，以便于总结出何种形式的约束更加接近实际工况，从而提出更加准确合理的设计方案和工作频率，确保相关参数更加符合塔式起重机的设计要求。

参考文献：

[1] 于兰峰. 塔式起重机结构刚性及动态优化研究[D].成都：西南交通大学， 2006.

[2] 鲍会丽，孙红岩，向双云.基于ANSYS的塔机起重臂静力学及模态分析[J].建筑机械化，2011，32（12）：44-46.

[3] 于洪柱. 基于ANSYS的平头塔机臂架结构静力分析[J]. 华电技术， 2018（11）：34-35+39+78.

[4] 张营章.动臂变幅塔式起重机动力学性能分析和仿真研究[D].天津：河北工业大学，2010.

[5] 顾永强，赵金磊.塔式起重机起重臂的振动分析及响应计算[J].内蒙古科技大学学报，2010，29（4）：351-354.

[6] 杨慧勇，殷晨波，姚克恒.基于ANSYS的塔机起重臂静力学及模态分析[J]，2010，31（4）：53-56.

基金项目：湖南省大学生创新创业训练项目，项目名称：土建中塔式起重机的结构响应数值仿真研究，编号：S201910531021

作者简介：肖辉（1998-），男，云南永善人，本科在读，专业：土木工程。

通讯作者：杨代云（1990-），男，湖南吉首人，硕士，工程师，研究方向：结构设计。