基于ANSYS的FP6010塔机动态特性分析

李文豪

摘  要：利用有限元法，以FP6010平头塔机为研究对象，分析了其动态特性。通过分析得出以下结论：塔机的前六阶的固有频率值分别为：0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515;各阶振型表现为：第一阶振型反映了塔机绕塔身在水平面内的扭转振动，第二阶振型反映了塔机绕塔身根部固定点前后的弯曲振动，第三阶振型反映了塔机绕固定点左右摆动，第四阶振型反映了吊臂和平衡臂绕塔身前后的弯曲振动，第五阶振型反映了吊臂和平衡臂在水平面内的弯曲振动，第六阶振型反映了吊臂和平衡臂在变幅平面的弯曲振动。分析结果为该起重机动态性能的优化奠定了基础，为其他同类结构的设计提供了参考。

关键词：有限元法;平头塔机;动态特性;固有频率;振型

0引言

塔机是一种经常启动、制动和具有复杂耦合运动的建筑机械。工作时各机构频繁地起动或制动引起强烈的振动和冲击，并产生持续时间较长的衰减振动，这是塔机结构破坏的主要原因之一。近年来，随着塔式起重机起升高度和工作效率的不断提高，塔式起重机的振动问题也越来越突出。

1塔机有限元模型的建立

为了使建立的塔机结构动态分析模型更加合理准确，建模时须进行必要的简化处理：①回转支座相对塔机而言几何尺寸小、刚度大、质量集中且不易失稳，可采用梁单元进行等效处理，减少塔机整体分析时的单元种类，避免了具有不同节点自由度的梁单元和板壳单元的连接问题，以便进行后处理分析;②塔身底部结构刚度大，与地脚螺栓相连，约束在底部4个节点的所有自由度;起重臂、平衡臂与回转节连接处及拉杆与起重臂、平衡臂、塔顶连接处可视为铰支座，采用耦合处理，仅释放绕其销轴转动自由度，以反映其真实连接情况。

塔机部分杆件的材料选用Q235钢材，即弹性模量E=201GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3，其他杆件材料选用Q345的钢材，即弹性模量E=210GPa，泊松比m=0.3，密度r=7800kg/m3。由于塔机大多数杆件主要承受轴向力外还承受如弯矩、扭矩、剪切等内力，为提高建模的准确性，选用了考虑拉压、弯曲和扭转刚度的空间梁单元Beam188进行建模。平衡臂及起重臂拉杆选择空间杆单元Link180单元模拟即可满足分析要求。Link180是2节点3自由度的轴向拉压三维杆单元，不考虑杆件的弯曲及扭转变形，具有塑性、蠕变、大变形等多种特性。根据选择的单元类型及定义的参数，采用命令流和GUI相结合的建模方法建立如图1所示的塔机结构有限元模型，该模型由5845个单元和4922个节点组成。

2模态分析

ANSYS的模态分析是一线性分析，任何非线性特性（如塑性和接触单元）即使定义了也将忽略。可进行有预应力模态分析、大变形静力分析后有预应力模态分析、循环对称结构的模态分析、有预应力的循环对称结构的模态分析、无阻尼和有阻尼结构的模态分析。模态分析中模态的提取方法有七种，即分块兰索斯法、子空间迭代法、缩减法或凝聚法、PowerDynamics法、非对称法、阻尼法、QR阻尼法，缺省时采用分块兰索斯法。塔机的前六阶固有频率为：（单位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515。

从模态振型图可以看出塔机的第一阶振型反映了塔机绕塔身在水平面内的扭转振动，第二阶振型反映了塔机绕塔身根部固定点前后的弯曲振动，第三阶振型反映了塔机绕固定点左右摆动，第四阶振型反映了吊臂和平衡臂绕塔身前后的弯曲振动，第五阶振型反映了吊臂和平衡臂在水平面内的弯曲振动，第六阶振型反映了吊臂和平衡臂在变幅平面的弯曲振动。

3结论

基于有限元法，利用大型有限元软件ANSYS对FP6010平头塔机的动态特性进行了分析，通过分析得出如下结论：

塔机的前六阶固有频率为：（单位：HZ）0.161、0.336、0.541、0.697、1.487、2.515各阶固有频率都较低，且相差不大。

塔机的各阶振型表现为：第一阶振型反映了塔机绕塔身在水平面内的扭转振动，第二阶振型反映了塔机绕塔身根部固定点前后的弯曲振动，第三阶振型反映了塔机绕固定点左右摆动，第四阶振型反映了吊臂和平衡臂繞塔身前后的弯曲振动，第五阶振型反映了吊臂和平衡臂在水平面内的弯曲振动，第六阶振型反映了吊臂和平衡臂在变幅平面的弯曲振动。

参考文献

[1] 沈荣胜，王胜春，王积永.基于Ansys的塔式起重机振动模态分析[J].起重运输机械，2011（9）：68-70

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[4] 赵雪芹，苏睿.基于ANSYS的某塔机动态特性分析[J].机械研究与应用，2019，32（2）：5-7.