姜天明 焦猛

摘要：长臂架构造运作阶段因振动引起的动态应力较大，可能对钢结构完整性构成损伤。本文将云梯消防车臂架设为研究对象，基于有限元软件ANSYS建设完善化的臂架动态分析模型，分析与测算其模态，比较分析臂架模态试验结果。

关键词：长臂架;试验模态;振动;有限元分析

引言

云梯運动过程中形成的冲击与振动情况是造成钢结构结构损伤的主要因素之一，云梯臂架是云梯的主要承力构件之一，其结构强度与刚度和其运作过程可靠性、安稳性存在紧密的相关性。捕获结构自体的刚度属性即结构的固有频率与振动类型，有针对性的使用调整手段，能使长臂架运作阶段规避由共振因素引发的破坏。臂架为云梯消防车的重要构成，其持有的力学属性关系着消防车的消防和救援能力，本文基于ANSYS软件建设臂架动态模型，做出相应的分析与测算。

一、建设与简化有限元模型

为精确测算出振动系统的模态参数，建设一个能真切呈现出系统现实状况的动力学模型及相配套的数学模型。

结合云梯臂架的构造特征，采用ANSYS软件建设云梯臂架梁壳模型，在具体建模阶段，应落实如下几点内容：

（1）各节梯架模型规格和装配方位和现实尺寸方位等同;

（2）利用集中质量点替代钢丝绳、滑轮座等对结果仅形成轻微影响的结构;

（3）利用两仰伏油缸将云梯臂架支撑于转台上方，因臂架底架与转台刚度偏大，则认为于底部可以承载弯矩，假设其是固接支座;

（4）工作斗始终要和地面成角90°，故而可以把其简化成一个集中力和弯矩。

动态分析阶段，因结构质量与刚度分布情况是影响固有频率和主振型的主要因素，故而其要求全结构最好应用匀称的网格形式。模型的规模信息如下：节点16404个、单元9826个（Beam188、she1163、mass2l单元依次为7870、1948、10个）。

二、测算模态

固有频率和振型向量均是表示振动系统特性的重要物理指标，偏低的、大量的固有频率级与之相对应的振型向量对其动态响应做出较高贡献，因此在专研系统响应时仅需了解少部分的固有频率与振型向量。采用ANSYS求解器，解读臂架有限元模型的模态，获得梯架结构前六阶固有频率与振型，1、2、3、4、5、6阶梁壳模型测算频率分别为0.687Hz、1.058Hz、1.704Hz、2.738Hz、4.185Hz、5.215Hz，其中一阶振型可以做出如下阐述：一节点上下弯曲，振型图见图1[1]。

三、模态的试验研究

激振系统、数据采集、信号检测与分析系统是试验系统的重要构成。其中，激振系统的构成和模态试验研究中激励信号发出情况密切相关，激励信号的作用以调控能量输入情况为主，驱动试验结构内纯模态的产出过程，但需要辅助使用数套激振器进行激励，要数次调试输入力大小及相位，需耗用较多的人力、时间成本，且装置购置成本较高。激励源产出的脉冲信号即为瞬态激励信号，其作用一捕获脉冲响应情况为主，有快速、便捷的优势，对被检构件质量与刚度未提出严格要求，在现场试验情景中有较高的适用性，故而本试验中拟定选用捶击激振法进行。

结合信号检测系统的购徐恒、运作原理，试验研究中选用集成压电式传感器，基于粘结形式予以固定。

试验极端长臂架朝向后方水平整体伸展，基于捶击法原理检测振动模态参数，图2是现场试验图[2]。

结合采样定律，要求采样频率一定要高于被检测固有频率的2倍。已知有限元分析时云梯臂架前六阶固有频率峰值为5.215Hz，设定试验阶段采样频率为25.6Hz，采样频率对应的有效带宽12.5Hz，分辨度为0.1Hz。在检测二输入、多输出对应的频响函数时，基于自功率、互功率图谱测算出响应函数，检测完六个位点后计算平均值，在H1估计法的辅助下测求出频响函数的最小二乘相近值。

依照ANSYS模态分析结果，立足于现场试验条件及传感器的所属类别与实际配置数目，构建梯架模态试验的几何模型，长臂架上共计设置34个检测位点，对称部署于长臂架下弦管两个侧端（见图3）[3]。观测云梯的第一阶振型，将其定义成一阶弯曲模态，在上下方向进行振动，结合如上情况将传感器装设于竖直向，检测竖直向响应产出情况即可。

在模态试验阶段中，操作者要重点关注频响、相干函数，当频响函数趋于稳态，相干性较优良时，就可以终止收集动作。利用采获到的数据测算出云梯消防车辆长臂架的模态指标，具体是测得前四阶的频率、阻尼以及振型，

结束语：

本文通过建设云梯臂架ANSYS有限元模型并对其做出简化处理，对模态加以分析，并和试验模态分析中获得的六阶频率数值及振型做对比分析，以期能为长臂架结构完善、优化提供可靠参照。

分析表1中数据后，发现模拟测算出的结果和试验结果误差基本在10.0%内，振型出现的次序大体相同，因模态试验阶段存在误差，故而理论测算出的结果可信度较高，提示本文建设的有限元模型精确度较高、简洁性较好、适用性较强，有一定推广价值。

参考文献：

[1]黄会荣，贺明辉，倪亮军，等.基于ANSYS的旋挖钻机动臂的拓扑优化设计[J].机械设计与研究，2017，33（04）：179-182.

[2]江洁，张文辉，叶晓平，蒋理剑.基于ANSYS的煤炭取样机械臂多目标优化设计[J].煤矿机械，2016，37（01）：173-175.

[3]郑圣义，倪尉翔，季薇.不同吊点位置的弧形闸门应力有限元分析[J].人民黄河，2015，37（09）：102-105.