（机械设计及理论专业论文）带斗门座起重机卸料过程动态特性分析研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 带斗门座起重机是港口散货码头的主要设备，由于其工作环境恶劣，工作 繁重，而且开斗卸料和物料冲击漏斗时，对带斗门座起重机结构的冲击特别大， 引起结构的剧烈振动，容易使得结构疲劳破坏。所以对带斗门座起重机实际工 作过程中的动态问题的研究越来越迫切，通过对其动态特性的研究，找出控制 其动态特性的方法。 本文以带斗门座起重机为研究对象，以有限元分析软件a n s y s 为手段，应 用有限元法、机械振动和结构动力学的理论知识，采用数学建模和数值仿真相 结合的方法，对该类型起重机的动、静态特性进行了更深入的研究分析，取得 了一些有意义的成果，主要工作包括以下几方面： ( 1 ) 运用有限元分析软件a n s y s l l o 对选定的带斗门座起重机金属结构进 行实体建模，并对其模型进行静力学分析。 ( 2 ) 计算工况为带斗门座起重机整个卸料过程，并将这种工况下的载荷加 以处理，得出此工况下的动载变化规律，求出动载数据以及动载曲线，并转化 为外部激励。运用少自由度模型法将选定对象加以简化，建立其动力学模型。 ( 3 ) 分析物料从开斗卸料到物料冲击漏斗的整个卸料过程的各个卸料阶段 的理想状态( 即物料对抓斗和漏斗没有同时作用过程) 下的结构的动态响应， 求出其卸料各阶段的位移响应和速度响应表达式，并用i d a t l a b 软件画出其对应 的位移响应和速度响应曲线，对结果进行分析，找出影响卸料动载的因素，为 卸料动载的控制提供一些建设性的意见。 ( 4 ) 对带斗门座起重机的实际工作状态( 即物料对抓斗和漏斗有同时作用 过程) 下的卸料各阶段进行理论分析，得出其卸料各阶段的位移表达式，并用 b t a t l a b 软件画出其对应的位移响应曲线。将理想状态下的位移响应曲线和实际 工作状态下的位移响应曲线进行对比分析，找出开斗卸料所需时间长短和物料 对抓斗和漏斗是否同时作用两种因素对带斗门座起重机动态特性的影响。 ( 5 ) 在a n s y s 中运用b l o c kl a n c z o s 法对所建立的带斗门座起重机模型进 行模态分析，得出结构低阶振动的频率和相应的主振型，并分析振型出现的原 武汉理工大学硕士学位论文 因。 ( 6 ) 运用f u l l 法对带斗门座起重机模型进行瞬态动力学分析，得出带斗门 座起重机理想状态下和实际工作状态下的位移响应值和各子部下的最大应力 值，将位移响应值和最大应力值导入m a t l a b 中，得出其位移响应曲线和最大应 力曲线。将a n s y s 分析计算得出的位移响应曲线和理论分析得出的位移响应曲 线进行对比分析，验证理论分析结论的正确性。 关键词：带斗门座起重机，动力学分析，有限元法，a n s y s ，m a t l a b l l 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ec o n v e y o r & g r a bc t a n ei st h em a i ne q u i p m e n to ft h eb u l kc a r g ow h a r f i n a d d i t i o nt ot h ep o o rw o r k i n gc o n d i t i o n sa n dt h eh e a v yw o r k l o a d , t h es h o c k i n gf r o m t h em a t e r i a l sw h e no p e n i n gb u c k e td i s c h a r g ef u n n e lc a r lb r e a kt h es 咖c t u r eo ft h e a a n eb e c a u s eo ft h es e v e r ev i b r a t i o ni tb r i n g st ot h ec r a l l e t h e r e f o r e ，i t su r g e n tt o r e s e a r c ht h ed y n a m i ci s s u e sh a p p e n e di nt h ec o n v e y o r 蓼a bc r a n ew o r k i n gp r o c e s s t h r o u g ht h es t u d yo fi t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，w ec a l lf i g u r eo u tw a y st oc o n t r o l t h e m t h i sa r t i c l et a k e st h ec o n v e y o r & g r a bc r a n ea si t ss t u d yo b j e c t b a s e do n t h e o r i e so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o n , s t r u c t u r a ld y n a m i c s ，t a k i n g a d v a n t a g e so fa n s y ss o l , r a r e ，t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sk i n d c r a n ea r ed e e p l yr e s e a r c h e d ，m a t h e m a t i c a lm o d e l i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r e b u i l t t h em a i nw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( 1 ) as t r u c t u r em o d e lo ft h es e l e c t e dc o n v e y o r & g r a bc r a n ei sb u i l to n a n s y s11 0 ，w h i c hi sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e a n dt h em o d e lw a s s t a t i c a l l y a n a l y z e d ( 2 ) t h ew h o l eu n l o a d i n gp r o c e s so ft h ec o n v e y o r & 伊a b c r a n ei st h ew o r k i n g c o n d i t i o nt oc a l c u l a t e d y n a m i cl o a dv 撕a t i o nl a w si nt h i sw o r k i n gc o n d i t i o nw a s f o u n d , d y n a m i cl o a dd a t aa n dc u r v ew a sc a r r i e do u t , a n di t sd y n a m i cm o d e lw a s e s t a b l i s h e d ( 3 ) b ya n a l y z i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f t h es t r u c t u r ei nt h ei d e a ls t a t e ( i e t o g r a ba n dt of u n n e l ，m a t e r i a l sd o n t h a v es i m u l t a n e o u se f f e c t ) o fe v e r ys t a g eo f m a t e r i a lu n l o a d i n gp r o c e s s ，t h ed i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea n ds p e e dr e s p o n s ew e r e g i v e n ，a n dt h e i rr e s p o n s ec u r v e sw e r ed r a w ni nm a t l a b ，h e l p i n gt of i n do u tt h e f a c t o r sw h i c h w o u l di m p a c tt h ed i s c h a r g i n ga n dd y n a m i cl o a d i n g ( 4 ) d i s p l a c e m e n te x p r e s s i o n so fe a c hu n l o a d i n gs t a g ei na c t u a lw o r k i n gs t a t e w e r eg i v e no u ta f t e ras e r i e so fa n a l y s i s ，a n dt h e yw e r ee x p r e s s e di nm a t l a b b y c o m p a r i n gt h e i rr e s p o n s ec u r v e su n d e r t h ei d e a lc o n d i t i o na n dt h ea c t u a ls t a t e ，t w o f a c t o r sw e r ep o i n t e do u t ，a n dt h e i ri n f l u e n c et od y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e i i i 武汉理工大学硕士学位论文 c o n v e y o r & 蓼a bc r a n ew e r es h o w n ( 5 ) t h em o d e lo ft h ec o n v e y o r & g r a bb - t a n ew a sa n a l y z e di na n s y sb yu s i n g b l o c kl a n c z o sm e t h o d l o wv i b r a t i o nf r e q u e n c ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a i n v i b r a t i o nm o d e lw e r eg i v e n ，a n dt h er e a s o n so f v i b r a t i o nw e r ea n a l y z e d ( 6 ) u s i n gf u l l m e t h o dt om a k et r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i st ot h ec o n v e y o r g r a bc r a n e ，t h ed i s p l a c e m e n tr e s p o n s ev a l u ea n dt h em a x i m u ms t r e s sv a l u ew e r e r e a c h e di nb o t hi d e a la n da c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o n s s h o w i n gt h e s ev a l u e si n m a t l a b ，a n dt h e nc o m p a r i n gw i t ht h er e s u l t sw eg o tf i o ma n s y s ，w ef i n a l l y 谢母t h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r ya n a l y s i sc o n c l u s i o n k e yw o r d s ：t h ec o n v e y o r & g r a bc r a n e ，d y n a m i ca n a l y s i s ，f i n i t ed e m e n t , a n s y s ，m a t l a b i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：j 垫臣茎) 垦= 日期：之! ! 5 ：! 三 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：4 刁嘎姆师( 签孙尹日期肋厂k 勉乙 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 结构动态分析的研究现状和发展方向 长期以来，结构动态响应问题一直是起重机结构结构设计和分析中一个普 遍关心的课题。近年来随着港口机械向大型化、高速化和重载化方向发展， 必将要求起重机的设计方法不断的充实和完善。通过大量的特种设备检验部门 的检验结果表明：按静态设计的起重机金属结构在满足生产实际要求方面存 在不足。对起重机定期检验项目中的结构应力测试结果也表明：静态设计值和 动态设计值之间存在着较大的差异。这些差异在小吨位和生产率不高的起重 机的设计中表现的不是很明显，但是随着部分起重机的大型化、生产率的提高 和机械运行速度的加快，动特性对起重机结构的影响越来越大。同时，其 动特性反过来也会影响起重机的作业效率，所以在进行起重机的设计和分析 中都不应忽视动载荷的影响 s o l 。 起重机有静载荷、惯性载荷及振动载荷三种基本载荷。因为起重机的各 部分结构是弹性体，不是理想的刚体，所以这些载荷还附加上按一定频率变化 的振动载荷，此载荷不仅提高了结构的最大应力值，而且因其反复的作用会使 得某些部分产生疲劳破坏，所以振动载荷是起重机动力学研究的重点。目前 对起重机动态问题的处理有三种方法： ( 1 ) 动载系数法：长期以来，在起重机设计中都是将动态问题简化成静 态问题来处理，一些国家和国际起重机协会的起重机设计规范，比方 西德d i n 、日本j i s 、英国b s 、中国g b t 3 8 11 - 2 0 0 8 和欧洲搬运工程协会f e m ， 都是采用在静载荷的基础上乘上一个大于1 的动载系数仍来考虑动载效应 s o l 。 优点是以静态问题的方法处理动态问题静，计算简单。缺点是其 实际工况以及动态特性不能准确被反映出，分析结果具有不合理性和不准确 性。 ( 2 ) 动态设计法：目前应用于起重机动态设计的方法主要有：建立少自由 度模型法、模态综合法、模态分析法和有限元法等【4 9 1 。 所谓少自由度模型法就是根据结构的振动特点，将计算的模型简化为几 个自由度的系统，可以方便的建立能够较准确反映实际结构的少自由度模型。 武汉理工大学硕士学位论文 应用少自由度模型法，则对结构进行了大量的必要的简化，能得出相当精度的 简化计算公式，但是简化模型的正确性需要验证，如果建立的少自由度模型不 能很好的反映起重机结构的振动特性，那么用此种方法计算得出的结果和实 际情况之间就存在着差异【4 9 j 。 所谓模态综合法就是将比较复杂的起重机结构分解成若干个比较简单的 子结构，对每个子结构系统选定假设模态，然后根据各子结构对接面上的位移 和力的边界条件和协调条件，将各子结构系统的假设模态综合成整体起重机 结构的模态函数。由大量研究文献表明：在工程应用实际中，对 结构的动态特性的影响最大的因素是低阶模态。因此，对各个子结构系统仅 仅需要计算少量的低阶模态然后加以综合就可以比较准确的反映实际情况。 所谓模态分析法是与近代计算机和动态试验技术紧密结合的一个动态分 支学科。它可以直接利用实际结构的动态试验数据，通过模态分析，再用参数 识别理论计算得出起重机的动态参数和特性，由此建立的动力学模型精度高， 能够较客观的反映结构的动态特性。此方法虽然利用实测数据建立起重机的 计算模型，能够较客观的反映结构的动态特性，但是应用此法必须是在 起重机生产出来之后进行动态测试，其计算结果只能对此台起重机进行验证， 无法在设计阶段为设计人员提供指导和参考【删。 所谓有限元法就是汲取少自由度模型法和模态综合法的优点，将复杂的 起重机结构分割成有限元个单元，各个单元之间通过节点相连，将节点的位移 作为广义坐标，并且将单元的质量和刚度都集中到节点上。此法不需要起重 机的实际模型，只要用设计图纸，就可以在有限元分析软件( 如a n s y s 、a d i n a 、 n a s t r a n 、s a p ) 中建立起重机模型，根据起重机的实际结构及其受载的特点， 对起重机结构和机构的振动进行动态计算和分析研究，根据计算结果指导起重 机的设计和对起重机结构动态特性的验证。有限元法可以完成起重机结构固 有振动频率以及相应振动模态、振动衰减时间的计算，以及在瞬态冲击下起重 机的响应分析，得出起重机的动态特性。这些对于控制起重机的动态性能、 改善起重机的工作特性和使起重机整机金属结构能够比较好地满足 其工作要求等方面具有一定的指导意义。由于起重机起重量的不断增大、 运行速度的不断增快，基于定质量、线性阻尼、定刚度的结构有限元分析计算 已经不能够适应现代起重机金属结构动力响应分析的要求。要更加真实地 准确地反映具有高速、重载运动过程的起重机金属结构的动态响应，需要 综合考虑随时问变化的起重机的整个动力运动工作时程，对起重机作业时整个 2 武汉理工大学硕士学位论文 工作循环进行动力学分析，得出其动态响应曲线。 由于起重机实际工作状况比较复杂，工作环境比较恶劣，其动态特性受 多种因素的影响，简单的数学模型不能准确的描述其运动参数和载荷，所以静 态设计方法在起重机的设计中具有较大的局限性。所以在起重机的设计中应 该逐步采用动态分析方法，对其实际工作情况进行动力学分析，得出其 动态响应，供设计参考。 ( 3 ) 动力学优化设计：结构动力学优化设计是近代的结构有限元法、机 构动力学、数学规划方法和数值计算方法等学科相互交叉有机结合的产物， 属于现代工程结构领域中的一个新兴分支。设计的方案包括构件的尺寸优化、 结构的形状优化以及拓补优化设计三个方面田】。 目前结构动力学优化设计可以分为：结构的动力特性优化设计、结构动 响应优化设计、结构动力灵敏度分析以及基于概率的可靠性动力优化设计【2 。 目前，绝大多数的结构优化都是建立的确定性模型，即将结构的全部参数 及作用载荷视为确定量，而基于可靠性或者说基于概率的动力优化设计是将结 构参数和作用载荷视为确定量，应用概率的方法对结构进行动力学优化建模。 对随机参数结构建立具有频率禁区和振型位置概率约束的结构动力学优化设 计数学模型【2 4 】。 综上所述，起重机设计必然从静态设计转向动态设计。目前国内外对起 重机动态设计还没有形成比较成熟的规范，动态设计理念要想成功地应用到 起重机设计领域还任重而道远。 1 2 课题研究的目的和意义 带斗门座起重机是用于散货卸船的主要设备。为了保证带斗门座起重机安 全可靠地工作，整机结构的合理设计尤为重要。带斗门座起重机是一种起升、 变幅机构工作特别繁重的机械，伴随着吊重起升和变幅、下降和变幅两个方向 相互耦合的高速运动，起重机钢结构将承受复杂的、剧烈的振动和冲击。随着 起重机的变幅运动，起重机结构的质量矩阵和刚度矩阵也将随之变化。所以这 种复杂的动力响应在结构设计中必须认真考虑。 在过去结构设计中，对上述诸多因素( 特别对动态设计) 经常考虑不周， 造成设计不合理，影响起重机使用性能。随着有限元技术的发展，国内外不少 研究人员对起重机钢结构的振动进行了大量的研究和分析。但针对带斗门座起 武汉理工大学硕士学位论文 重机这种结构作业过程中考虑上述诸多因素影响的动力响应的研究较少。本文 拟充分考虑上述诸多因素的影响，从理论上分析并得出卸料过程各个阶段的位 移响应表达式，尽量较真实地模拟和分析带斗门座起重机实际工作的动力学过 程及各种响应。 本课题是以广东省产、学、研合作研究项目中某公司1 6 t 3 4 m 带斗门座起 重机为对象，对其结构的有限元模型、约束处理进行分析与研究。在此基础上 对带斗门座起重机整机系统进行模态和动态响应分析，得到起重机系统前十阶 振动频率、振型和位移响应时间历程。该结果对带斗门座起重机设计中如何避 免在工作频率范围上共振现象的产生及限制在动载时过大动变形的产生有实际 意义。通过这些分析，对同类产品的设计提出可供参考的建设性意见，也可以 指导现有产品的改造。 在起重机行业对于带斗门座起重机的动态特性的理论研究非常少，比较缺 乏成套的理论知识，本文通过对带斗门座起重机的动力学分析，得出其动态响 应曲线，并对结果进行分析，得出较成熟的理论，为带斗门座起重机的动态特 性研究添砖加瓦。 因为带斗门座起重机结构复杂，工作环境恶劣，所以本文通过简化后的对 带斗门座起重机的动力学分析存在以下的问题： l 、带斗门座起重机整机结构进行数学建模过程中，由于其约束函数或者设 计变量的非线性和时变性，尤其是阻尼机理的不明确性，使得建立的带斗门座 起重机模型很难准确的反映真实的状态，或者说难以求解，甚至根本无法求解 真实的模型。 2 、带斗门座起重机的工况复杂，工作环境恶劣，因工作地点大多在港口， 所以起重机在实际工作中受到的风载荷的影响也特别大，而风载又具有随机性 和不确定性，其实际风载难以用数学语言精确地描述，从而导致建立的模型从 根本上存在着缺陷，这些都是起重机动力学分析无法避免的。 3 、因为带斗门座起重机的结构复杂，如果用简单的模型来近似地描述其实 际模型就特别困难，而对于实际结构的完全建模计算，即使是在计算机的帮助 下完成也非常费时费力，并且要求起重机的配置非常高，计算量也特别大，在 工程实际应用中缺乏经济实用价值。 4 、运用少自由度模型法对带斗门座起重机振动模型进行简化时没有成熟的 理论和现行的有效的方法。目前，很多动力学分析理论都是将振动模型从多质 量多自由度系统简化成两质量两自由度系统或单质量单自由度系统，理论求解 4 武汉理工大学硕士学位论文 基本都采用单自由度系统，这是因为多自由度系统的求解非常困难，甚至无法 求解，而单自由度系统可以在一定程度上反映带斗门座起重机的振动规律，所 以在带斗门座起重机动力学模型的简化从根本上存在着缺陷，这是动力学分析 中的一个瓶颈。 对带斗门座起重机动态特性研究的迫切需要和模糊的现存理论之间的矛 盾，使得开展对带斗门座起重机卸料过程的动态特性的研究具有很大的理论和 现实意义。 1 3 论文研究的主要内容 本文以广东省产学研项目带斗门座起重机d m q l 6 3 4 为研究对象，以 有限元分析软件a n s y s 为手段，有限元法、机械振动和结构动力学的理论知 识，采用数学建模和数值仿真相结合的方法，对该类型起重机的动、静态特性进 行了更加深入的分析，取得了一些有意义的成果，主要工作包括以下几方面： ( 1 ) 运用有限元分析软件a n s y s l l 0 对选定的带斗门座起重机金属结构进 行实体建模，并对其模型进行静力学分析。 ( 2 ) 计算工况为带斗门座起重机整个卸料过程，并将这种工况下的载荷加 以处理，得出此工况下的动载变化规律，求出动载数据以及动载曲线，并转化 为外部激励。运用少自由度模型法将选定对象加以简化，建立其动力学模型。 ( 3 ) 分析物料从开斗卸料到物料冲击漏斗的整个卸料过程的各个卸料阶段 的理想状态( 即物料对抓斗和漏斗没有同时作用过程) 下的结构的动态响应， 求出其卸料各阶段的位移响应和速度响应表达式，并用m a t l a b 软件画出其对应 的位移响应和速度响应曲线，对结果进行分析，找出影响卸料动载的因素，为 卸料动载的控制提供一些建设性的意见。 ( 4 ) 对带斗门座起重机的实际工作状态( 即物料对抓斗和漏斗有同时作用 过程) 下的卸料各阶段进行理论分析，得出其卸料各阶段的位移表达式，并用 m a t l a b 软件画出其对应的位移响应曲线。将理想状态下的位移响应曲线和实际 工作状态下的位移响应曲线进行对比分析，找出开斗卸料所需时间长短和物料 对抓斗和漏斗是否同时作用两种因素对带斗门座起重机动态特性的影响。 ( 5 ) 在a n s y s 中运用b l o c kl a n c z o s 法对所建立的带斗门座起重机模型进 行模态分析，得出结构低阶振动的频率和相应的主振型，并对振型进行分析。 ( 6 ) 运用f u l l 法对带斗门座起重机模型进行瞬态动力学分析，得出带斗 武汉理工大学硕士学位论文 门座起重机理想状态下和实际工作状态下的位移响应值和各子部下的最大应力 值，将位移响应值和最大应力值导入m a t l a b 中，得出其位移响应曲线和最大应 力曲线。将a n s y s 分析计算得出的位移响应曲线和理论分析得出的位移响应曲 线进行对比分析，验证理论分析结论的正确性。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章带斗门座起重机建模和静力学分析 本章将采用有限元分析软件a n s y s l l 0 建立带斗门座起重机d m q l 6 3 4 的有 限元模型，对其进行静力学计算，并对计算结果进行分析。 2 1 建立带斗门座起重机有限元模型 2 1 1 建模方案分析 带斗门座起重机结构比较复杂，对于这样一个复杂的钢结构来说，可以有 多种建模方案，这就要求我们必须选择合理的方案，使建立的模型既要满足计 算精度要求，又要节省机时，降低人机工作量，而且计算结果也应一目了然。 带斗门座起重机有限元模型建立得是否合理将直接影响到后续的工作能否顺利 进行以及计算结果的正确与否。因此，建立能够确切模拟实际系统的有限元模 型是静力学和动力学分析的基础。 带斗门座起重机整体尺寸较大，并且是由很多部分组成的复杂组合结构。 如果我们直接建立整体的模型，那么模型的结构会非常复杂，造成建模困难， 而且网格划分也将比较困难，错误率还大大提高。所以对于复杂的系统，我们 可以采用系统综合法来建立其力学模型。即将一个复杂系统划分成一些相对简 单的子系统，分别建立各子系统的力学模型，最后按照各子系统的实际联接条 件，将各个子系统的模型结合起来，形成系统的力学模型并进行系统分析。这 种方法不仅简化了系统建模的难度，而且能够比较容易地建立各子系统的力学 模型。本课题根据带斗门座起重机的结构特点，将其分为臂架系统、平衡系统、 人字架、转台、漏斗给料系统、门架等子系统，分别建立各子系统的模型，然 后将各子系统结合起来，建立带斗门座起重机整体结构的有限元模型。 2 1 2 模型的建立 根据带斗门座起重机d m q l 6 3 4 的设计图纸，在a n s y s 的前处理器中建立其 有限元模型，具体步骤如下： ( 1 ) 单元类型：整个带斗门座起重机模型的建立将要用到a n s y s l l 0 中的 7 武汉理工大学硕士学位论文 梁单元b e a m l 8 8 、质量单元m a s s 2 1 和弹簧单元c o m b i n l 4 三种单元。 带斗门座起重机结构主要由钢板焊接而成的箱形梁结构，采用b e a m l 8 8 单 元不仅在保证计算精度的前提下可有效减少计算时间，提高工作效率，并且能 够保证在进行带斗门座起重机动态分析时候不会产生局部模态。所以选用 b e a m l 8 8 单元建立该起重机模型比较符合工程实际情况。 m a s s 2 1 单元是为了模拟漏斗中的料存，带斗门座起重机实际卸料过程中， 漏斗中往往有大约3 0 t 的料存，其质量对于带斗门座起重机动态特性的影响比 较大，所以采用m a s s 2 1 单元将漏斗中的料存简化为一个质量点单元，将此质量 点耦合在漏斗节点上。 c o m b i n l 4 单元具有轴向或扭转的性能。带斗门座起重机在卸料过程时，物 料从抓斗中卸下后落入漏斗时对漏斗给料系统中的漏斗有很大的冲击，抓斗到 漏斗的高度有l o m ，所以物料在冲击漏斗时已经具有很大的动能，会造成很大 的冲击载荷，在这个冲击载荷作用下可能造成带斗门座起重机剧烈的振动或者 直接把漏斗给料系统砸坏，所以在设计的时候在漏斗给料系统中的漏斗下面安 有弹簧，起到减振缓冲的作用，轴向的弹簧一阻尼器是l 维的拉伸或压缩单元， 比较符合工程实际情况，所以选用c o m b i n l 4 单元。 ( 2 ) 实常数：b e a m l 8 8 单元不需要设置实常数。c o m b i n l 4 单元具有l 维、 2 维或3 维应用中的轴向或扭转的性能。轴向的弹簧一阻尼器选项是1 维的拉伸 或压缩单元，它的每个节点具有3 个自由度：x ，y ，z 的轴向移动，它不能考 虑弯曲或扭转。扭转的弹簧一阻尼器选项是一个纯扭转单元，它的每个节点具有 3 个自由度：x ，y ，z 的旋转，它不能考虑弯曲或轴向力。弹簧一阻尼器没有质 量，质量可以通过其他合适的质量单元( m a s s 2 1 单元) 添加。设置实常数为弹 簧刚度k ，命令如下： r , 1 ，0 ，11 0 0 0 ，0 ， m a s s 2 1 可以是三维的也可以是二维的质量点。如果k e y o p t ( 3 ) = 3 或4 ，就 是二维单元：k e y o p t ( 3 ) = 1 或2 就是三维的。k e y o p t ( 3 ) = 1 是带转动惯量的三维 质量点单元，需要设置的实常数m a s s x ，m a s s y ，m a s s z ，i x x ，i y y ，i z z ，如果 k e y o p t ( 3 ) = 2 则不带转动惯量，只需要输入m a s s 4 5 1 。质量点单元和漏斗上对应 的节点通过两两完全耦合的方式连接，要求质量点必需为6 自由度单元，所以， 设置k e y o p t ( 3 ) = 0 。设置实常数为三个方向的质量为3 0 0 0 0 k g ，转动惯量均为0 ， 命令如下： 武汉理工大学硕士学位论文 r ，2 。3 0 0 0 0 ，3 0 0 0 0 ，3 0 0 0 0 ，! 料斗中料存质量为3 0 0 0 0 k g 在 n s y s 中，计算惯性力是用质量点沿加速度方向的质量乘以加速度值求 出的，质量是一个标量，没有方向，而质量点最终的等效质量是三个方向的质 量之和取平均值，所以不能仅仅设置y 方向的质量。 ( 3 ) 材料特性：在建立的带斗门座起重机有限元模型时，由于实际结构比 较复杂，有些结构件的形状为非标准件，用a n s y s 模拟其实际形状非常困难， 而且还有些结构件对于该机的动态特性的影响不大，所以在不影响计算精度的 前提下对起重机结构要做一些必要的简化。而简化以后带斗门座起重机 模型的重量往往比其实际重量小，计算时必须补偿结构重量。本文中对 整机重量进行补偿采用的方法为质量元补偿和密度补偿法。工程上其它 附加材料如：横隔板、角钢和焊缝等材料的重量大致为整机重量的2 0 铲3 0 9 6 本文中取2 5 ，故材料密度取为p = 98 x 1 0 4 砖m m 3 弹性模量为 e = 2 1 x 1 0 5 m p a ，泊松比为“= 0 3 。同时用m a s s 2 1 漏斗中的料存进行质量补 偿。 带斗门座起重机有限元模型如下： 围2 - 1 带斗门座起重机有限元模型 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 约束：模型的约束要尽量反应实际情况，约束施加在带斗门座起重机 运行机构支承轮位置。支承轮所在部位简化的四个节点见图2 - 2 所示。车轮与 轨道之间有2 0 - 3 0 m m 的侧隙，从理论上讲当水平力大于静摩擦力时可以发生侧 移，但实际上，在带斗门座起重机静止不动情况下，静摩擦力一般足以提供侧 向约束，所以垂直于轨道方向的位移( 即u x ) 应该约束。车轮在制动情况下与 轨道同样是静摩擦约束，由于采取四轮驱动方式，沿带斗门座起重机轨道方向 的位移( 即u z ) 也都应该约束。所以四个点在三个方向的位移u x 、u y 、u z 都 应该约束。根据车轮与轨道的接触特性，转动自由度r o t x 、r o t y 、r o t z 都不应 该约束【1 3 1 。 d o a 图2 - 2 支承处约束简图 ( 5 ) 耦合与连接：带斗门座起重机各个部件的连接形式在模型中要尽量准确 的模拟出来。圆筒门架与转台采取法兰刚性连接，大拉杆与象鼻梁为铰接，大 拉杆与人字架为铰接，臂架与象鼻梁为铰接，臂架与转台为铰接，臂架与小拉 杆为铰接，小拉杆与平衡梁为铰接，人字架与平衡梁为铰接，建模时可以采用 耦合的办法模拟。通常铰接有圆柱铰和球铰两种方式，此带斗门座起重机在设 计时都采用的圆柱铰。 采用圆柱铰则大拉杆与象鼻梁为可以绕z 轴( 即沿轨道方向) 的相对转动， 建模时需要耦合大拉杆与象鼻梁连接处两节点的u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 五个 自由度；大拉杆与人字架为可以绕z 轴( 即沿轨道方向) 的相对转动，建模时需 要耦合大拉杆与人字架连接处两节点的u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 五个自由度； 臂架与象鼻梁为可以绕z 轴( 即沿轨道方向) 的相对转动，建模时需要耦合臂架 与象鼻梁连接处两节点的u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 五个自由度；臂架与转台为 可以绕z 轴( 即沿轨道方向) 的相对转动，建模时需要耦合臂架与转台连接处两 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 节点的u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 五个自由度；臂架与小拉杆为可以绕z 轴( 即 沿轨道方向) 的相对转动，建模时需要耦合臂架与小拉杆连接处两节点的u x 、 u y 、u z 、r o t x 、r o t y 五个自由度；小拉杆与平衡梁为可以绕z 轴( 即沿轨道方 向) 的相对转动，建模时需要耦合小拉杆与平衡梁连接处两节点的u x 、u y 、u z 、 r o t x 、r o t y 五个自由度；人字架与平衡梁为可以绕z 轴( 即沿轨道方向) 的相对 转动，建模时需要耦合人字架与平衡梁连接处两节点的u x 、u y 、u z 、r o t x 、r o t y 五个自由度。 表2 1 耦合表 铰接处u xu yu zr o t xr o t yr o t z 大拉杆与象鼻梁 11lll0 大拉杆与人字架 l1111o 臂架与象鼻梁 l 1 111 0 臂架与转台 11ll1o 臂架与小拉杆 l1lllo 小拉杆与平衡梁 11111o 人字架与平衡梁 l11 1 lo 注：l 表示耦合；卜表示不耦合 2 2 结构静态受力分析 2 2 1 计算工况和载荷组合 本章中先根据带斗门座起重机的典型工况计算其静态受力情况，也是为了 进一步研究动态问题做准备。所以只选取以下六种涉及动载荷的典型工况： 工况i ：带斗门座起重机不动，抓斗位于最小幅度处，漏斗没有库存情况下 满载卸料： 载荷组合：么n o 。+ 织昂 工况i i ：带斗门座起重机不动，抓斗位于最小幅度处，漏斗有3 0 t 库存情况 下满载卸料； 载荷组合：，p o ：+ 织易 工况i i i ：带斗门座起重机不动，抓斗位于最小幅度处，满载卸料后，漏斗没 有库存情况下物料对其的冲击： 武汉理工大学硕士学位论文 载荷组合：死尼。+ 九岛+ f 工况：带斗门座起重机不动，抓斗位于最小幅度处，满载卸料后，漏斗有 3 0 t 库存情况下物料对其的冲击； 载荷组合：办昂2 + 允岛+ f 工况v ：带斗门座起重机不动，漏斗没有库存情况下，抓斗满载从最大幅度 运动到最小幅度时突然制动： 载荷组合：办+ 办忍+ 乓 工况：带斗门座起重机不动，漏斗有3 0 t 库存情况下，抓斗满载从最大幅 度运动到最小幅度时突然制动； 载荷组合：么昂：+ 办易+ 岛 上式中：最，漏斗没有库存情况下的自重载荷； 乓，漏斗有3 0 t 库存情况下的自重载荷； b 额定起升载荷； p 额定起升载荷的惯性载荷； f 物料对漏斗的冲击载荷： 么起升冲击系数； 织起升动载系数； 以突然卸载冲击系数； 工况i 和工况i i 会引起带斗门座起重机臂架系统在竖直方向的振动，工况 i i i 和工况都会引起整个料斗支架和门架在竖直方向的振动，工况v 和工况 会引起带斗门座起重机臂架系统在垂直于轨道方向横向振动。对于其动态特性 在后续的章节具体分析，本章在进行静态计算时采用动载系数法，即用基本载 荷乘以动载系数，将动态问题转化为静态问题加以考虑。 对于桥架类起重机和一般装卸类起重机： 起升冲击系数：办= 1 口，0 口0 1 ，本章中取最大值破= 1 1 。 起升动载系数：丸= 欢曲+ 及，本例中研究的对象是带斗门座起重机， 又根据起重机设计规范 g b t3 8 1 卜2 0 0 8 中附录c 中可知，此种类型的起重 机起升状态级别为h c 3 ，再查表可知反= 0 5 1 ，丸。i i i = 1 1 5 ，根据此起重机的 设计参数可知其稳定起升速度v a = 1 1 7 m s ，从而求得欢= 1 7 4 。 突然卸载冲击系数：织：l 一竺( 1 + 屈) ，其中a m 为突然卸载的部分起升 ，靠 质量，a m = l o t ；m 为总起升质量，m = 1 6 t ；屈为系数，对于抓斗或类似的慢 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 速卸载装置豹起重机则晟= 0 5 ，对于电磁盘或类似的快速卸载装置的起重机 剐以= 1 0 ，从而求得以= 0 0 6 。 物料对漏斗的冲击载荷f = 9 8 x 1 0 4 n ；惯性载荷昂= 舢丸，丸= 1 5 ，加 速度d = v t 取制动时闻f = i s ，变幅速度为v ；l m s ，从而求得加速度 4 = l m , 2 。 2 2 2 计算结果分析 将以上的各工况的载荷分别加载到带斗门座起重机a i _ l s y s 模型中求解，得 到各工况下的等效最大应力和结构最大变形量。结果列表如下： 表2 - 2 结构计算最大应力及位移 工况o e ( m p a ) 肼一( r a m ) u l ，腿( m 呻堀。伽m ) i1 2 9 8 9 45 n 7 0 85 7 7 5 902 5 5 i i1 2 9 8 9 4 5 10 4 15 8 0 70 3 4 5 h 1 1 3 n 0 8 5 7 7 8 25 5 1 5 60 3 4 1 1 3 0 0 8 5 83 0 75 5 0 8 70 4 v1 3 0 4 4 61 0 4 9 1 45 2 3 5 20 4 1 1 3 0 4 4 61 0 43 3 95 2 2 8 40 4 1 i 图2 3 至2 8 分别为六种工况下的等效应力云图，图2 q 、2 - 1 0 、2 - 1 1 分 别为三个方向的最大位移云图： 图2 - 3 工况i 下的等效应力云图图2 - 4 工况i i 下的等效应力云图 武汉理工大学硕士学位论文 蛰2 1 5 工况下的等效应力云图图2 _ 6 工况下的等效应力云图 匿 圉2 - 7 工况v 下的等效应力云图图2 8 工况下的等效应力云图 图2 9 工况v 下的u x 位移云图图2 1 0 工况i i 下的u 1 r 位移云图 武汉理工大学硕士学位论文 匿 图2 - 1 1 工况下的u z 位移云图 通过对以上数据分析可看出： ( 1 ) 六种工况下的应力最大的是工况v 和工况，即带斗门座起重机不动， 漏斗投有库存情况下抓斗满载从最大幅度运动到最小幅度时突然制动和带斗 门座起重机不动，漏斗有3 0 t 库存情况下，抓斗满载从最大幅度运动到最小幅 度时突然制动的情况下。最大应力值为1 3 0 4 4 6 蛐p a ，设计时结构主材采用q 2 3 5 ， 安全系数为n = l3 4 ，许用应力为【盯】= 1 7 6 m p a ，设计符合要求。 ( 2 ) 在静力学计算的时候，特意考虑了漏斗中有库存和没有库存两种情况， 便于比较漏斗中库存的有无对结构应力和应变的影响，从表2 - l 和各工况下的 应力云图和位移云图中可以看出，漏斗中库存的有无不影响相似工况下的最丈 应力值，因为漏斗是通过弹簧和漏斗支架连接然后和门腿连接在一起，从各工 况下的应力云图可以看出门腿的强度比较大，所以整机展大应力值的影响几 乎没有。但是潺斗中库存的有无影响相同工况下的各个方向的位移。 ( 3 ) 将工况v 和工况下的应力云图和其它工况下的应力云图比较可以明 显看出象鼻粱发生了水平方向的变形，说明整个臂架系统的水平方向的强度有 待加强，特别是大拉杆的强度。这有可能是建模的时候将大拉杆建成了一个细 长杆，其中豹隔板都拔忽略的结果。 1 4 ) x 向的最大位移发生在工况v 下，y 向的最大位移发生在工况下，z 向的最大位移发生在工况下。从表2 - 1 和位移云图中可以看出，工况v 和工 况下模型加丁一个x 方向的力后，x 方向的位移比较大，与前几个工况比较 变化比较明显，说明整个臂架系统的水平方向的刚度还有待加强。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本章小结 本章运用a n s y s 软件建立了带斗门座起重机d m q l 6 3 4 的有限元模型，并在 六种工况下对该模型进行了静力学分析计算，并且对整个建模的过程以及各参 数的意义进行了详细的描述，为后续章节的动力学分析奠定了基础。通过对计 算结果的分析可以得出两条结论： ( 1 ) 对于带斗门座起重机的设计而言，对结构强度要求都能