于洁霞1 花丽君2 孙远韬3
1 上海研砼治筑建筑科技有限公司 2 无锡松邦科技有限公司 3 同济大学
摘 要：应用有限元软件HyperWorks，对某船用升降设备进行模态分析，获得了该设备前6阶模态的固有频率、振幅及振型等动力学特性，为进一步动力分析求解提供了参数，并将模态分析结果与发动机激振频率对比，证明了其机械设计较为合理。
关键词：HyperWorks； 升降设备； 模态分析
货物在船舱和甲板、码头之间的传输有3种形式：人力搬运、舰艇起重机吊运、货用升降设备运输，其中用升降设备运输最为常用。船舶在风浪中航行时会产生摇荡，与陆用升降机相比，船用升降设备的状态经常发生突然变动，结构的振动会导致结构因共振或产生疲劳而发生破坏，因此有必要对其进行动态特性研究。
动态特性研究的方法主要有动载系数法、模态综合法和有限元法等，其中有限元法是目前设计分析复杂结构最有效的手段[1]。本文基于HyperWorks对升降机整机结构进行模态分析，运用动态的设计理念，找出固有频率，规避对升降设备影响较大的振动频率及振型。掌握结构不同类型的动载荷，有助于估算该设备在其他动力分析中的求解控制参数，使产品在设计阶段就可以预测其动态特性，这样可有效减小系统的振动，提高设备运行的安全可靠性。
升降设备主要由行走机构、立柱结构、变输送装置结构、导轨装置、配重系统及相关配件等组成。主体钢结构是采用钢板焊接而成的复杂空间结构，由上下2组导靴导向，沿着导轨作垂直升降运动。在GB/T3878-2011《船用载货电梯》标准中规定：当船舶横摇不大于±30°，摇摆周期10 s，纵摇不大于±10°，摇摆周期7 s时，设备不应损坏。因此设备的强度、刚度和动态特性影响了整机的升降特性、平稳特性、变形特性及振动特性等基本性能，从而影响到整机设备的安全性、可靠性和使用寿命。船用升降设备结构简图见图1。
升降设备主要钢板材料为Q345B，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.85×10-9 t/mm3。应用HyperWorks软件建模，采用CTRIA3、CQUAD4、MASS21和RBE2等单元模拟升降设备的结构。模态分析的边界条件UX、UY、UZ为零位移约束，升降设备轨道底部施加位移约束。
由于结构的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶振型对结构的动力影响程度比高阶振型大，因此低阶振型决定了结构的动态特性。结合升降设备的实际结构和载荷工况，提取无载荷状态下的前6阶分析结果和模态振型如表1和图2～7所示，放大比例为1∶5 000。
图1 船用升降设备结构简图
表1 无载荷状态下升降设备前6阶固有频率、振幅与振型描述
阶数频率/Hz最大振幅/mm振型描述19.7131.360立柱和输送装置沿Z轴左右摆动,绕X轴侧向扭转210.5811.864立柱和输送装置沿Y轴上下摆动,绕Z轴侧向扭转317.3773.431立柱和输送装置沿X轴前后摆动,绕Y轴侧向扭转421.4931.920整机沿Y轴上下振动526.0192.334整机绕Y轴逆时针扭转627.0813.159整机绕Y轴顺时针扭转
第1阶模态，设备沿轨道方向左右摆动，绕轨道垂直方向轻微扭转(见图 2)，在设备顶部的振幅最大，由船舶纵摇、行走机构和输送机构的起制动等激励可能起振。
图2 一阶振型
第2阶模态，设备沿升降方向上下摆动，绕轨道平行方向轻微扭转(见图 3)，升降装置自由端振幅最大，由船舶垂荡、升降作业和突然卸载等因素激励可能起振。
图3 二阶振型
第3阶模态：设备沿输送垂直方向前后摆动，绕升降方向扭转(见图 4)，顶部升降驱动机构处振幅最大，由船舶横摇和侧向风载荷等因素激励可能引起共振。
图4 三阶振型
第4阶模态，设备整机沿升降方向上下振动(见图 5)，升降装置自由端振幅最大，由船舶垂荡、升降作业和突然卸载等因素激励可能起振。
图5 四阶振型
第5、6阶模态，均为设备整机绕升降轴扭转(见图 6、7)，升降装置自由端振幅最大，且产生的振幅较大，此振动产生可由船舶振动，风振和发动机低速运转共同激振等因素造成。
图6 五阶振型
图7 六阶振型
综上，由船舶在航行时的横摇、纵摇、垂荡以及振动、升降设备载重时的风载、升降设备载重物开始起升与停止瞬间的惯性载荷，会导致升降设备瞬间振幅增大，但周期一般较大,其频率远低于升降机系统的第一阶固有频率9.713 Hz,它们对系统振动基本没有影响[2-3]。因此，根据模态评价原则应用的普遍性，升降设备低阶频率应低于发动机怠速运转频率，以避免发生整体共振；升降设备的弹性模态频率应尽量避开发动机经常工作的频率范围。
该设备发动机工作频率在 40～50 Hz 之间。对照表1中各阶模态频率，两者的频率没有重合，但是如果发动机低速运转时有可能会产生扰动，所以在设备运行时，应尽量避免发动机发生故障导致低速运转。
本文采用有限元法基于HyperWorks软件对船用升降设备结构进行了模态分析，得到了前6阶固有频率、振幅和振型，为进一步动力分析求解提供了参数。通过计算发现，该船用升降设备前6阶固有频率与发动机的激振频率基本不重叠，发生共振可能性较小，但仍应避免发动机低速运转。但本文只对升降设备进行了静力、模态分析，今后可以增加有限元的分析模块，如屈曲分析、优化分析及瞬态分析等，从而使整机的设计评估更加全面。
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