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通用桥式起重机主梁模态分析摘要：通用桥式起重机主梁简化模型由SolidWorks建立结合有限元分析工具WorkBench进行模态分析通过提取前六阶固有频率及相应振型的分析计算用以指导主梁优化设计并对快速、准确地分析桥式起重机的动力响应、设计和改造方案提供一种新的途径并具有重要意义。关键词：桥式起重机；模态；振型；固有频率前言通用桥式起重机一般由主梁、端梁、大/小车行走及制动装置等组成在工业上被广泛地应用在室内外车间、码头及仓库对降低劳动强度、提高生产效率起到极大作用[1]。在动力载荷作用下的机构将产生一定的震荡力从而使构件内部出现紊态的动态应力及构件的振动严重加速零件结构的疲劳破坏并对人员心理造成一定伤害[2]。任何构件均具有自身刚性、自振频率、模态振型和阻尼比利用有限元计算工具WorkBench对桥式起重机进行模态分析目的是充分研究这些固有特性有效地避免外界激励接近构件的低阶频率而发生共振以致产生严重影响同时主梁的谐响应分析、工作启停及运行过程中的瞬态动力学分析和为避免地震等随机振动带来不良影响的谱分析等均需研究其模态特性。1.理论分析随着计算机及软件工程日益发展有限单元法作为数值计算方法在工程分析领域应用是较为广泛的一种计算方法。将主梁及钢丝绳视作线弹性元件桥式起重机将简化为二自由度振动模型其振动方程为：-----2.1其中[M]为质量矩阵[k]为刚度矩阵若位移向量取并带入振动方程2.1有利用变换法刚度矩阵和质量矩阵化为对角阵分别带入振动微分方程对实系数线性齐次常微分方程由求得振动微分方程特征值振动频率为。2.计算模型的建立文中以通用桥式起重机为例其由主端梁、司机室及小车机构等部分组成基本设计参数为：额定起重量20t起升高度10m跨度21.5m工作级别A5司机室重量300Kg小车及其起升、制动等零部件重量1.5t利用三维建模软件SolidWorks建立其三维模型并导入有限元分析工具WorkBench中。由上述振动频率计算过程发现机构振动频率与机构整体的质量具有直接关系即质量越大其固有频率越小因此在建立理想化有限元模型过程中做了必要的简化但为了不影响计算精度简化建模过程中的一些质量较大的部分不可忽略文中将小车及其上面安装部件利用4个质量点布置于两根主梁轮轨接触点、司机室利用质量点布置于主端梁一侧进行代替目前该项研究中的重量补偿也有使用密度补偿法进行。选用4节点（每个节点具有6个自由度）的弹性壳单元SHELL63为单元类型[3]进行网格划分如图1所示并可以利用局部网格细分技术对主端梁联接部位及跨中进行网格细化即提高关键部位的计算精度又高效地利用计算机资源。图1.有限元模型及质量点布置3.计算与分析在结构动力学响应中低阶模态对系统的影响起着重要作用而模态分析的目标是识别系统的模态参数通过WorkBench中建立静态分析模块StaticStructural并将模态分析模块Modal链接到静态模块中的Solution进行分析求解出起重机主梁前六阶振型频率及对应的变形形式如表1所示。选取其典型的第1、3、4阶振型分别如图234所示。表一、前六阶振动频率及其相应变形阶次频率/HZ变形15.7372主梁在水平面内的相互靠拢与分开摆动26.1955主梁在水平面内的同向摆动36.5379主梁在垂直面内的同步上下振动47.7548主梁在垂直面内的异步上下振动514.288主梁在水平面内的反向S型摆动619.25主梁在水平面内的同向S型摆动从表一前四阶振动频率比较接近一方面是由于该桥式起重机主梁结构为基本对称同时该结论满足GB3811-2008起重机设计规范所要求的最低振动频率须大于2HZ的人体舒适设计要求；另一方面当外部激励频率发生在5HZ附近时将会引起前四阶振动型式的叠加从而产生更加复杂的振动剧烈加剧构件整体疲劳破坏。由图234低四阶频率分布较为均匀也说明了主梁刚度分布较为均匀结构较为合理。另外可通过对不同阶次振动的不同形式所产生的原因分析可有目的性地去避免或缓解相应的振动破坏产生如；第一、二阶振动可能会对小车的启/停激励振动响应敏感；第三阶振动有可能对起升与卸载重物过程中的激振敏感；而第四阶振型对小车上电机、卷筒等部件的布置方位要求比较严苛均匀的分布小车上面质量及振动源对缓解振动带来的危害意义重大。通过模态分析所得参数对设计阶段的原型机进行相应的优化以提高设计的精准度且大大降低了原型机试制阶段的成本缩短投放市场周期。图2.