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基于ANSYS的起重机大梁结构模态分析
摘要
本文以起重机大梁结构为研究对象，使用ANSYS软件进行模态分析，探究其在不同条件下的自然频率和振动模态。首先，通过建立三维有限元模型，进行网格剖分和材料属性赋值。然后，分别在不同负载和支座约束条件下进行模态分析，得出其前5阶自然频率和振动模态，进一步分析结构的稳定性和安全性。实验结果表明，起重机大梁在不同约束条件下的振动频率和振动模态存在显著的差异，同时，不同约束条件下的振动模态也存在着较大的差异，对于实际工程中的起重机设计具有一定的指导意义。
关键词：起重机大梁；结构模态分析；自然频率；振动模态。
一、引言
起重机大梁是起重机的核心部件，承受着巨大的荷载，因此结构强度和稳定性对于工程的安全性至关重要。在实际工程应用中，如何提高起重机大梁的结构强度和稳定性，成为了工程设计和研发的热门话题之一。随着计算机技术和有限元分析法的不断发展和应用，结构模态分析因其理论依据可靠、实验成本低廉等特点，成为了结构设计和评估的重要手段之一。本文以ANSYS软件为工具，以起重机大梁为研究对象，对其进行结构模态分析，得出其自然频率和振动模态，为起重机大梁的设计和研发提供相关的指导意义。
二、建模和分析
1.建模
以一座桥式起重机中的大梁为研究对象，通过CAD软件建立实体模型，再将其导入到ANSYS软件中进行有限元分析。根据实际情况，将大梁的长度、宽度、高度分别设为30m、1.5m、2m。大梁的横截面采用矩形截面，截面尺寸为250mm×400mm。在建立模型时，应注意网格数量的选取，过少的网格数量会导致分析结果的不准确，而网格数量过多会导致计算时间过长。因此，在进行网格剖分时，需根据实际情况和计算机性能进行权衡。本文采用的剖分方法为四面体剖分，具体的网格数量如下：大梁矩形梁体共有8个节点，因此共需48个节点。采用四面体剖分方法，因此总网格数量为154560个。
2.材料属性赋值
在建立模型的同时，需要为材料属性赋值。本文采用钢材为大梁的材料，具体的弹性模量取值为2.1×105MPa，泊松比取值为0.3。
3.模态分析
模态分析是结构有限元分析中的一种重要方法，可以用于研究结构的自然振动特性。在进行模态分析时，应为结构施加一定的负载，并通过分析结构的自由振动方程，得出结构的自然频率和振动模态。通过对振动模态的分析，可以了解结构的固有振动特性，从而为结构的优化设计和疲劳分析提供参考。本文分别对大梁在不同负载和支座约束条件下进行了模态分析。负载采用简谐载荷，支座采用固定和自由的约束条件。
1）固定边界条件
当大梁固定边界条件下，进行模态分析。假定大梁在x方向进行受力，振型如图1所示。共计得出前5阶的自然频率（Hz）及对应的振型，如表1所示。
图1固定边界条件下大梁的振型
表1固定边界条件下自然频率和振型
2）自由边界条件
当大梁自由边界条件下，进行模态分析。共计得出前5阶的自然频率（Hz）及对应的振型，如表2所示。
表2自由边界条件下自然频率和振型
3）固定和自由边界条件的对比
在两种支座约束条件下进行模态分析，可得到大梁的自然频率和振动模态。从表1和表2可以看出，在不同的约束条件下，大梁的自然频率和振动模态存在显著的差异。其中，自然频率随着支座约束条件的变化而变化，自由边界情况下自然频率更高；振动模态也随着支座约束条件的变化而变化，自由边界下的振动模态受到支座的约束较少，因此呈现出较大的变化范围。
三、结论
本文以ANSYS软件为工具，对起重机大梁进行了模态分析，探究了其在不同支座约束条件和载荷下的自然频率和振动模态。模拟结果表明，在不同约束条件下，大梁的自然频率和振动模态存在较大的差异。因此，在实际工程中，应根据具体情况不同的约束条件下进行振动模态的分析，以确保结构的稳定性和安全性。本文所做的研究，为起重机大梁的设计和研发提供了一定的指导意义。
参考文献
[1]曾志强,汪德成,陈凤英.结构模态分析与计算[M].北京:机械工业出版社,2017.
[2]孙长河,史克武,刘秀成.建筑结构有限元分析教程[M].[北京]:人民邮电出版社,2008.