ANSYS约束模态分析在起重机车架上的应用

汪阳

摘 要：起重机车架是起重机中的关键部件，对其进行模态分析，防止与路面产生共振，为车架的动态分析奠定基础。通过结构的固有频率可判断结构的动态特性，由于实际工况和结构中是存在各种约束和力的，故应建立结构的基本模态方程和约束模态方程。ANSYS已广泛应用于机械机构设计中，其内部集成有模态分析模块，并可与结构有限元分析联合进行约束和预应力模态分析，这为通过计算机进行起重机车架约束模态分析提供了可能。对某种起重机车架进行约束模态分析，得到了车架的前六阶模态，仿真结果表明车架基本不会发生共振，结构合理。

关键词：起重机;车架;ANSYS;模态分析

中图分类号：U463.32  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）13-144-03

Application of ANSYS Constrained Modal Analysis to Crane Frame

Wang Yang

（ Anhui Liugong Crane Co.， Ltd. Anhui BengBu 233010 ）

Abstract： The crane frame is the key component of the crane. The modal analysis is carried out to prevent resonance with the road surface and lay the foundation for the dynamic analysis of the frame. The dynamic characteristics of the structure can be judged by the natural frequency of the structure. Because there are various constraints and forces in the actual working condition and structure， the basic modal equation and constrained modal equation of the structure should be established. ANSYS has been widely used in the design of mechanical mechanism， and its internal integration of modal analysis module， and can be combined with the finite element analysis of structure to carry out constraint and prestressed modal analysis， which provides the possibility for the constraint modal analysis of crane frame by computer. The first six modes of a crane frame are obtained by the constrained modal analysis. The simulation results show that the frame basically does not resonate and the structure is reasonable.

Keywords： Crane; Frame; ANSYS; Modal analysis

CLC NO.： U463.32  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）13-144-03

1 引言

起重機能够在一定的使用范围内提升、运输、装卸重物[1，2]。起重机的结构基本由起升机构、运行机构、变幅机构和回转机构等组成[3，4]。其吊臂、转台和车架占据起重机大部分重量，因此，对车架的研究十分重要。振动模态是机械结构的固有特性，通过模态分析可预先了解结构在此频段内的振动响应，为机械结构动态设计和故障诊断提供参考依据[5]。ANSYS软件将结构力学、热力学、流体力学、电磁学、声学、电化学等学科融为一体，以有限单元法（FEM）为基础，组成一款大型通用有限元分析软件，提供了建模和网格划分功能，用户可根据需要建立所需的有限元模型，或使用第三方三维建模软件进行建模，如SolidWorks、UG、CATIA等，将建立好模型后导入ANSYS即可。

ANSYS内部集成有模态分析模块，该模块支持线体、表面体、实体的建模和分析，在模型设置中必须定义材料的杨氏弹性模量、密度和泊松比。模态分析模块可与结构静力分析模块进行联接，以进行约束和预应力模态分析。

2 ANSSY模态分析

2.1 模态分析基本理论

模态振型、阻尼和频率是机械结构的特征，通过这些结构特征对结构进行描述即为模态分析[6]。机械结构的每一个模态可由数学模型计算、仿真或物理试验方法获得。其中，数学模型计算需对模型进行许多简化，模型的许多结构细节将被忽略，这会降低计算的准确性。物理试验方法能够较准确地得到结构的固有特性，但物理试验的成本较高，且需要更多的试验时间。故采用计算机辅助分析方法对机械结构进行模态分析是一种经济高效的分析手段。振动频率和模态振型是模态分析方程的基本参数，模态分析基本方程为：

（1）

式中，[K]为刚度矩阵;[M]为质量矩阵;ωi为第i阶振动频率;?i为第i阶模态振型。

在实际工况中，结构通常存在各种约束边界，如旋转幅约束、固定约束等，同时又存在各种载荷边界，如定常力、定常压强等。在这些边界条件的作用下，可能会影响结构的固有频率，故应在模态分析的基本方程中加入应力刚度项：

（2）

式中，[S]为应力刚度矩阵。

2.2 ANSYS模态分析模块

ANSYS内部集成有模态分析模块，支持线体、表面体、实体的建模和分析，可与结构静力分析模块联接进行约束和预应力模态分析。应用ANSYS进行结构模态分析的基本步骤如图1所示。

在ANSYS Workbench中可选择找到模态分析模块并拖拽启动。启动模态分析模块后，可进一步选择需要进行联接的模块，如可联接几何模型模块、静力结构有限元分析模块、热分析模块等。模态分析的几何模型可以通过ANSYS自带的建模模块进行建模，也可通过其三方软件进行建模后导入ANSYS。若模态分析模块与几何模型模块进行了联接，则几何模型自动导入模态分析模块，同理，若与静力结构有限元分析模块联接，将于其共同使用同一几何模型。ANSYS提供了材料属性设置库，用户可自定义材料属性，对于模态分析来说，材料属性中必须设置杨氏弹性模量、材料密度和泊松比。材料定义好后即可进入模型处理模块，将材料配置到对应零件，如果需要，可进行接触的定义，接触能够更好地模拟实际物理模型，但定义接触会增大计算的时间。用户可根据模型特点设定不同的网格控制类型，如大小网格控制、膨胀层网格控制等。在求解前可设置求解阶数，默认求解前六阶模态固有频率及振型，求解后即可查看各阶的模态频率以及对应的振型。

3 起重机车架模型及模态分析

3.1 起重机车架模型

某种起重机车架模型如图2所示。模型在Pro/E中建立，为实体三维模型。在对计算结果影响不大的情况下，可对模型进行适当的简化，如非承重构件的圆角简化为直角;固定支腿与活动支腿固结;部分活动空间非常小的连接件进行固结等。在模型中定义结构的旋转约束、移动约束等，为约束模态分析做准备。

3.2 模態仿真结果分析

取模态仿真结果的结果的前六阶固有频率分别为：65.4 Hz、71.4 Hz、78.8 Hz、85.2 Hz、98.5 Hz、107.2 Hz。振型较好。车架在工作时主要受路面激励、发动机激励、传动轴激励的影响。车架的第一阶固有频率为65.4 Hz，大于平坦路面的固有频率（<20 Hz），因此该车架基本不会与路面发生共振，其结构设计合理。

4 结束语

起重机车架是起重机中的关键部件，对其进行模态分析是进一步研究其动态性能，防止共振产生的必要步骤。实际工程中常使用约束模态分析方程进行分析，在ANSYS中集成有模态分析模块，将车架模型导入ANSYS中，取前六阶约束模态固有频率，结果表明车架基本不会与地面发生共振。

参考文献

[1] 吴荣土，李辉，高强.塔式起重机顶升套架设计及有限元分析[J].建筑机械化，2019，40（08）： 18-21.

[2] 王德江，赵金国，杨德松，等.基于ANSYS的起重机臂架应力分析[J].现代制造技术与装备， 2019（07）： 22-24.

[3] 宋晋民.重型桥式起重机桥架模态分析[J].中国重型装备，2017

（01）：1-5.

[4] 曹付义，李金龙，崔梦凯， 等.中小型汽车起重机车架结构多学科优化[J].机械设计与制造， 2020（03）： 39-42.

[5] 李发宗，童水光，王相兵.基于模态分析的液压挖掘机工作装置动态优化设计[J].农业机械学报， 2014，45（04）： 28-36.

[6] 王林军，王锬，杜义贤， 等.基于ANSYS-Workbench的液压机机架模态分析及拓扑优化[J].煤矿机械， 2019，40（03）： 79-83.