基于ANSYS的云梯車梯臂模態(tài)分析

馮 輝，農(nóng) 權(quán)，孟 杰，，郭嘉璇，羅蕓瑩

(1.貴州詹陽動力重工有限公司，貴州 貴陽 550006；2.太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引言

云梯車是一種可用于搬家、空調(diào)安裝、搬運(yùn)工程建筑材料、大件上樓等的高空作業(yè)車,因此又被稱為云梯搬運(yùn)車或云梯搬家車。其工作裝置為梯架系統(tǒng),其中包括運(yùn)輸貨物的工作斗和云梯工作梯臂。而云梯工作梯臂是云梯車的核心關(guān)鍵裝置,它的特有結(jié)構(gòu)能夠使得云梯車滿足高空工作的需求。常開顏等[1]研究的對象是消防用云梯車,主要對梯架部分進(jìn)行了三維建模,供仿真分析使用,又在軟件Workbench中對承受外部瞬間載荷時(shí)梯架的動力學(xué)性能進(jìn)行了分析。李善德等[2]運(yùn)用預(yù)應(yīng)力碳纖維加固技術(shù)對云梯車進(jìn)行了優(yōu)化,對梯架進(jìn)行了靜力學(xué)和模態(tài)對比分析。鄭金城[3]分析了在有約束的情況下梯架系統(tǒng)的模態(tài),從而得到了梯架系統(tǒng)的前8階模態(tài)。史月[4]對云梯消防車臂架的靜力學(xué)和動力學(xué)都作了分析,并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方法。周磊[5]為了有效控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的長臂架的振動,提出了一種主動減振控制方法,并通過仿真分析來驗(yàn)證該方法的有效性,結(jié)果顯示臂架振動能夠得到快速的衰減。史宗鷹[6]對梯架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析,并由此得出了梯架結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)和對振動敏感的部位;通過拓?fù)浞抡?對梯架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

本文以某型云梯車為研究對象,利用三維建模軟件SolidWorks建立了梯臂模型,并利用ANSYS軟件對其完全展開時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行了模態(tài)分析,得到了梯臂的前10階模態(tài)振型,為研究梯臂的振動提供了依據(jù)。

1 梯臂幾何模型

該梯臂由7節(jié)主梯臂和1節(jié)輔臂組成,用SolidWorks軟件分別對8節(jié)梯臂建模,并進(jìn)行裝配使其變成一個(gè)完整的云梯車梯臂。因主要對梯臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,故建模過程中簡化了梯臂的結(jié)構(gòu),只將梯臂的側(cè)梁、中間橫梁以及斜梁進(jìn)行建模,而忽略了對梯臂振動影響不大的裝置,其中包括滑輪組、鋼絲繩、減磨塊組件、三角托架、吊耳和軸承等組件。圖1為梯臂各部分模型及裝配圖,從固定梯臂到最前端梯臂分別為梯臂1～梯臂7。圖1(b)為梯臂2～7的模型,后6節(jié)主梯臂的模型結(jié)構(gòu)都相同,僅有尺寸參數(shù)有所不同。

圖1 梯臂各部分模型及裝配圖

將建好的模型導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行仿真分析,由于云梯車的使用環(huán)境和自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),梯臂的結(jié)構(gòu)需要選用輕量高強(qiáng)度的鋁合金材料。本文采用航空鋁合金6061,其材料參數(shù)見表1。

表1 6061材料參數(shù)

工作斗及載重對梯臂的模態(tài)分析沒有太大的影響,故將兩者作為集中質(zhì)量加載到梯臂頂端,工作斗的額定載荷為400 kg,再加上工作斗自身的重量,加到梯臂頂端的集中質(zhì)量為500 kg(但實(shí)際模態(tài)分析的結(jié)果與集中質(zhì)量無關(guān))。劃分網(wǎng)格時(shí)將網(wǎng)格的大小定為0.05 m,劃分完網(wǎng)格后模型的網(wǎng)格總數(shù)量為138 860,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為464 410。

對梯臂的約束條件包括固定輔臂和梯臂1與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的連接處,因高空作業(yè)時(shí)風(fēng)力對梯臂的振動有很大的影響,考慮到云梯車的工作場所在建筑比較密集的城市地區(qū),風(fēng)力一般不會超過6級,風(fēng)壓與風(fēng)速的關(guān)系如下:

q=0.613v2.

(1)

其中:q為計(jì)算風(fēng)壓;v為計(jì)算風(fēng)速,根據(jù)蒲福風(fēng)力等級表,6級風(fēng)對應(yīng)風(fēng)速為10.8 m/s～13.8 m/s。

由式(1)可求得6級風(fēng)對應(yīng)的風(fēng)壓為71.5 N/m2～116.7 N/m2,因此在梯臂的整個(gè)上表面施加一個(gè)117 Pa的風(fēng)壓。

2 模態(tài)分析

經(jīng)過網(wǎng)格劃分和約束后的梯臂模型便可以進(jìn)行后處理,選擇對梯臂的前10階模態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算,最終得到各階模態(tài)的頻率如表2所示,各階模態(tài)所對應(yīng)的振型如圖2～圖11所示。由計(jì)算得出的各階振型可以看出:前3階的模態(tài)振型都是臂架沿y方向的振蕩,從第4階開始梯臂出現(xiàn)大的扭轉(zhuǎn)變形;其中輔臂的變形量是最小的,第1階、第4階、第5階、第8階、第9階和第10階時(shí)梯臂7的變形量最大,最大變形量分別達(dá)到了1.165 mm、2.872 9 mm、3.737 4 mm、1.692 2 mm、1.924 2 mm和2.609 3 mm;第2階和第7階時(shí)梯臂5的變形量最大,最大變形量分別達(dá)到了1.131 4 mm和1.694 mm;第3階時(shí)梯臂6的變形量最大,最大為1.322 9 mm;第6階的最大變形量為1.436 9 mm,處于梯臂3處。

表2 梯臂的各階模態(tài)頻率

圖2 梯臂的1階模態(tài)振型

圖3 梯臂的2階模態(tài)振型

圖4 梯臂的3階模態(tài)振型

圖5 梯臂的4階模態(tài)振型

圖6 梯臂的5階模態(tài)振型

圖7 梯臂的6階模態(tài)振型

圖8 梯臂的7階模態(tài)振型

圖9 梯臂的8階模態(tài)振型

圖10 梯臂的9階模態(tài)振型

圖11 梯臂的10階模態(tài)振型

由此可知,梯臂的前兩階模態(tài)頻率都在1 Hz以內(nèi),前8階模態(tài)的頻率都控制在5 Hz以內(nèi)。梯臂變形量最大的情況出現(xiàn)在第5階模態(tài)時(shí)的梯臂7處,即最大變形量位于最頂端的一節(jié)梯臂處,且最大變形量在3 mm左右。

3 結(jié)論

云梯車工作過程中,受到外界的振動激勵源主要有風(fēng)載荷和發(fā)動機(jī)的激勵,由于模態(tài)分析時(shí)考慮了風(fēng)載荷的影響,因此重點(diǎn)考慮發(fā)動機(jī)傳來的激勵影響,云梯車工作過程中需要有持續(xù)的動力輸入,發(fā)動機(jī)一直處于怠速狀態(tài),發(fā)動機(jī)任意轉(zhuǎn)速的激勵頻率范圍為23.3 Hz～28.3 Hz。當(dāng)云梯搬家車正常作業(yè)時(shí),梯架系統(tǒng)的前10階固有頻率都在6 Hz以內(nèi),與發(fā)動機(jī)的激振頻率相差較大,不會出現(xiàn)共振現(xiàn)象,而階數(shù)更高之后得到的固有頻率又屬于高頻振動,一般不會被激發(fā)。因此經(jīng)過模態(tài)分析可以判定梯架設(shè)計(jì)在正常工作情況下不存在共振的危險(xiǎn)。