某儲存棚鋼構(gòu)動態(tài)特性分析

左芳君，劉平平，李剛俊，張慧潔，劉 磊

(成都工業(yè)學院 智能制造學院，四川 成都 611730)

0 引 言

儲存棚是工地上用于儲存物資的鋼結(jié)構(gòu)，主要由型鋼焊接或者鉚接而成，在使用時，有可能會遭遇由地震、風等引起的動態(tài)激勵載荷，因此，在設(shè)計安裝儲存棚鋼構(gòu)時，有必要針對其動態(tài)特性展開分析。開展結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析的方法主要由實驗法和有限元仿真法兩大類，其中，有限元仿真法具有方便、實用、有效等優(yōu)點，在包括加工中心整機及零部件[1-2]、造紙裝備零部件[3]、接箍管螺紋機床[4]、齒輪箱[5]、噴漿臺車機械臂[6]、起重機[7-8]、槽輪機構(gòu)[9]等結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。筆者選擇利用有限元軟件ANSYS對某工地使用的物資儲存棚鋼構(gòu)進行動態(tài)特性分析，通過分析獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等動態(tài)特性參數(shù)。

1 儲存棚鋼構(gòu)有限元模型

文中的分析對象為某工地使用的物資儲存棚鋼構(gòu)，該鋼構(gòu)安裝于地面上。該鋼構(gòu)主體結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，其材料特性參數(shù)如表1所列。分析前，利用有限元軟件建立其有限元模型，該鋼構(gòu)主體結(jié)構(gòu)為細長的型鋼和支撐鐵塊，選擇使用梁單元beam188來模擬型鋼，支撐鐵塊則用實體單元solid45來模擬，該鋼構(gòu)網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖1所示，整個模型共有4 210個單元，5 436個節(jié)點，其中梁單元160個，實體單元4 050個。

圖1 儲存棚鋼構(gòu)有 圖2 約束后的儲存棚鋼構(gòu)有限元模型 限元模型(模態(tài)分析)

表1 Q235鋼材料特性參數(shù)

2 儲存棚鋼構(gòu)模態(tài)分析

在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，模態(tài)分析是開展其他包括諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學分析在內(nèi)的其他動力學分析的基礎(chǔ)，儲存棚鋼構(gòu)在約束狀態(tài)下的固有頻率和振型可以通過模態(tài)分析來獲得。

利用有限元軟件ANSYS的蘭斯索斯法，對該儲存棚鋼構(gòu)進行約束狀態(tài)下的模態(tài)分析，通過分析確定該鋼構(gòu)在約束狀態(tài)下的固有頻率和振型，約束后的模型如圖2所示。一般而言，對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性影響較大的是低階模態(tài)，本文在分析時只提取該鋼構(gòu)的前六階模態(tài)。該鋼構(gòu)的前六階固有頻率值如表2所列，對應(yīng)的各階振型如圖3所示。

表2 儲存棚鋼構(gòu)固有頻率/Hz

從圖3的模態(tài)振型圖可以看出，該儲存棚鋼構(gòu)的第一階模態(tài)主要表現(xiàn)為沿Z方向的擺動振型，第二階模態(tài)主要表現(xiàn)為水平面內(nèi)的一階彎曲振型，第三階模態(tài)主要表現(xiàn)為水平面內(nèi)的二階彎曲振型，第四階模態(tài)主要表現(xiàn)為沿X方向的擺動振型，第五階模態(tài)主要表現(xiàn)為左部沿Z方向的擺動振型，第六階模態(tài)主要表現(xiàn)為整體在水平面內(nèi)沿X方向的一階彎曲振型振型。

圖3 儲存棚鋼構(gòu)模態(tài)振型圖

3 儲存棚鋼構(gòu)諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在外界激勵載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)，通過對儲存棚鋼構(gòu)進行諧響應(yīng)分析來獲取對該鋼構(gòu)動態(tài)特性影響最大的模態(tài)。分析時，將外界激勵頻率范圍設(shè)置為0～11.9 Hz，分成119等份，載荷類型設(shè)置為階躍載荷，即分析時保持載荷大小不變。加載約束后的模型如圖4所示。分析結(jié)束后，提取鋼構(gòu)頂部兩個節(jié)點處沿X方向和Z方向的位移幅值響應(yīng)，如圖5所示。

圖4 加載約束后的儲存棚鋼構(gòu)有限元模型(諧響應(yīng)分析)

圖5 鋼構(gòu)頂部節(jié)點位移幅值響應(yīng)

從圖5可以看出，上述兩個節(jié)點沿X方向的位移幅值響應(yīng)較大值均出現(xiàn)在激勵載荷頻率為8.1 Hz和11.9 Hz處，這兩個頻率值與鋼構(gòu)的第五和第六階模態(tài)頻率值接近。兩個節(jié)點沿Z方向的位移幅值響應(yīng)較大值均出現(xiàn)在激勵載荷頻率為2.6 Hz和8.1 Hz處，這兩個頻率值與鋼構(gòu)的第一和第五階模態(tài)頻率值接近。因此，可以認為該鋼構(gòu)的第一、五和六階模態(tài)對其自身動態(tài)特性影響較大。

4 結(jié) 論

以某物資儲存棚鋼結(jié)構(gòu)為例，利用有限元軟件對其進行模態(tài)及諧響應(yīng)分析，通過分析獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率及振型等動態(tài)特性參數(shù)，通過分析計算得到如下主要結(jié)論。

(1) 通過模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)該儲存棚鋼結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下的前六階固有頻率值為：2.546 9、3.775 2、5.225 8、6.207 1、8.117 9、11.883 Hz，其對應(yīng)的各階振型具有如下主要特點：鋼構(gòu)的第一、四、五階振型為結(jié)構(gòu)整體或局部的擺動振型，第二、三、六階振型為結(jié)構(gòu)的彎曲振型。

(2) 通過諧響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)該儲存棚鋼結(jié)構(gòu)的第一、五、六階模態(tài)對其自身動態(tài)特性影響較大，在考慮該鋼構(gòu)的動態(tài)特性優(yōu)化時需重點考慮上述三階模態(tài)的影響。

文中的分析結(jié)果對該儲存棚鋼構(gòu)的動力學優(yōu)化提供了理論依據(jù)，也為其他同類結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性分析提供了參考。