65t级岸桥结构设计中的动态特性分析.pdf

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1、 65t65t级岸桥结构设计中的动态特性分析级岸桥结构设计中的动态特性分析 摘摘 要要 港口岸边集装箱桥式起重机，简称岸桥。是港口码头用于装卸集装箱船舶 的专用起重机，随着国际贸易的迅速发展，海运规模不断扩大，集装箱的数量 增加的同时，集装箱运输船舶的体积也越来越大，这些因素促使新型岸桥不断 出现。用于承载主要载荷的岸桥钢结构，力学性能可靠性要求也随之增高。 目前国内设计钢结构常用的方法是许用应力法，这种方法更多考虑的是结 构的强度、刚度性能要求，通过静力学分析岸桥在工作状态下的稳定性，为了 保证岸桥工作的可靠性，在计算中需要适当增加钢材料来减少疲劳破坏发生的 概率。这样的设计方法显然违背了现

2、代岸桥减轻重量，优化设计，降低成本的 要求。 现代岸桥的设计应当根据岸桥的工作环境和工作特点，除了对岸桥结构进 行静力学分析外，还应该对钢结构的动态特性给予充分考虑。例如货物在进行 起吊操作时，钢结构承载的载荷是一个变化的数值。在港口作业时，风压对于 钢结构的影响也不可小觑。 在计算机技术高速发展的今天，用于处理和优化钢结构的设计软件层出不 穷，功能日益强大。本文利用有限元分析软件ANSYS，在充分分析岸桥工作时产 生机械振动的情况下，对岸桥进行建模，包括设定好主梁单元，力学性能等参 数，再经过网格化处理，载荷的分类设定等步骤。然后对有限元模型进行模态 分析，瞬态分析和疲劳分析。根据产生的十阶

3、振型，发生频率及货物在提升过 程时大梁前伸距关键单元在模拟载荷作用下，产生的位移响应曲线，从而分析 出岸桥结构在工作状态下的振动特点，并且由此判断出钢结构在动载荷作用下 是否满足使用要求。最后通过疲劳应力校核结果，得到岸桥钢结构的承载能力。 关键词：关键词：岸桥 钢结构 动态 模态 瞬态 疲劳破坏 Analysis of dynamic characteristics of structure design of bridge crane in 65t Abstract Quayside container crane, referred to as the bridge crane. Is

4、the port used for special crane loading and unloading container ships, with the rapid development of international trade, shipping scale is continually expanding, the number of the container increases at the same time, container transport ship size is also growing, all these factors make the new cra

5、ne appeared. For structural steel bridge bearing the main load, the reliability requirements of mechanical properties was also increased. The commonly used method at present domestic design of steel structure is the allowable stress method, more consideration is the requirements of strength and stif

6、fness properties, through the static analysis of stability in the working state of the crane, in order to ensure the reliability of quayside container crane, the calculation needs proper increase of steel materials to reduce the fatigue failure probability. This design method is clearly contrary to

7、the modern shore bridge to reduce weight, design optimization, cost reduction requirements. The design of modern shore bridge crane shall be according to the working environment and job characteristics, in addition to the static analysis of the bridge structure, the dynamic characteristics of the st

8、eel structure should be given full consideration. For example the goods in the lifting operation, load bearing steel structure is a value of a change. In port operations, pressure should not be overlooked for steel structure. For processing in the rapid development of computer technology today, emer

9、ge in an endless stream, steel structure design software optimization, function more powerful. Using finite element analysis software ANSYS, give full consideration to the characteristics of mechanical vibration of crane work in the case of the bridge, modeling, calculation of main girder unit set,

10、mechanical properties, meshing, loading the classification settings. And the finite element model for modal analysis, transient analysis and fatigue analysis. According to the ten modes of production, occurrence frequency and the goods in the process of ascension when extended simulation implementat

11、ion from the key unit before the load beam, the displacement response curve, analysis of the vibration characteristics of the crane structure in the working condition, and to determine the structural steelwork in dynamic load under the action of whether or not to meet the use requirements. At last c

12、heck results by fatigue, check the results calculated by computer. Keywords: bridge；steel structure； dynamic； modal； transient； fatigue failure 致致 谢谢 经过四年的学习，我的论文得到圆满结束。期间经历了断断续续的中断过 程，思想起伏也比较大。在合肥工业大学学习的经历是我最大的收获。 本文完成离不开我的导师董玉德教授，他在我论文写作方面给予了细心指 导，对于论文中的不足，及时给予纠正，指导我如何完成一篇较高质量的论文， 总结出了论文的主要精髓。尽管董老

13、师非常繁忙， 但是仍然抽出宝贵时间辅导， 令我非常感激。这种高尚的品德和情操，永远值得我学习。 在论文准备阶段，董老师不断督促，检查我的论文进展情况，并且准确指 出不足，为我的整个论文顺利完成付出了心血。 在这里我还要感谢我的父母对我二十多年来的养育教育之恩，是父母从小 对我的严格要求才使我取得今天的成就，同时感谢我的爱人一直无私的在背后 给我理解和支持。 在此，我谨向这些关心我的的家人和朋友，同学、老师表示衷心的感谢。 在本文结束后，我的求学生涯也将告一段落， 非常怀念人生中的这段经历， 也很享受在此过程中的辛劳付出，我也将这段记忆永远留存心间。 作者：杨靖 2013 年 11 月 11 日

14、 目目 录录 第一章 绪 论. 1 1.1 课题研究的背景、目的和意义 1 1.1.1 本课题研究的背景 1 1.1.2 课题研究的目的和意义 . 2 1.2 与课题相关的国内外研究状况 . 3 1.3 课题研究内容 . 5 第二章 结构动态分析基本理论 6 2.1 动态分析概述 . 6 2.1.1 动态分析的目的 . 6 2.1.2 结构动力计算的特点 . 6 2.1.3 结构离散化的方法 . 6 2.1.4 振动阻尼的概念 . 7 2.2 运动方程式的建立 8 2.2.1 动力体系运动方程的建立 8 2.4 本章小结 . 9 第三章 岸桥结构有限元模型的构建 10 3.1 有限元法理论和

15、ANSYS 分析软件 10 3.1.1 有限元法基本思想 10 3.1.2 有限元法计算步骤 10 3.1.3 ANSYS 分析软件概述 11 3.2 岸桥结构及基本参数 . 12 3.2.1 岸桥的结构及组成 . 12 3.2.2 岸桥的主要参数 . 13 3.2.3 岸桥模型的建立 . 14 3.2.4 岸桥模型的单元类型 . 14 3.2.5 岸桥模型的材料属性 . 15 3.2.6 岸桥模型坐标系定义 15 3.2.7 岸桥模型的约束 15 3.2.8 岸桥模型的建立过程 17 3.3 岸桥结构有限元模型 . 18 3.4 岸桥模型的处理 19 3.5 本章小结 . 20 第四章 岸桥

16、结构模态分析 21 4.1 模态分析的理论基础 . 21 4.2 ANSYS 模态分析 . 25 4.2.1 ANSYS 模态分析 . 25 4.2.2 ANSYS 模态分析结果 . 25 4.3 本章小结 29 第五章 岸桥结构瞬态动力学分析 30 5.1 瞬态动力学的求解方法 30 5.2 瞬态动力学分析的过程 31 5.2.1 施加载荷分析 31 5.2.2 使用完全法进行瞬态动力学分析 31 5.2.3 完全法进行瞬态动力学分析结果与分析 32 5.3 本章小结 34 第六章 岸桥钢结构的疲劳分析 35 6.1 疲劳分析基础理论 35 6.2 岸桥结构的疲劳分析 . 36 6.3 疲劳

17、计算结果 . 37 6.4 本章小结 40 第七章 结论与展望 41 7.1 结论 41 7.2 进一步工作的方向 42 参考文献 43 插图清单插图清单 图 2-1 单自由度动力系统运动受力简图 9 图 3-1 岸桥结构主视图 12 图 3-2 陆侧门框结构 图 3-3 海侧门框结构图 . 12 图 3-4 支撑轮约束情况 16 图 3-5 节点自由度耦合 16 图 3-6 有限元模型设置 17 图 3-7 节点和单元定义 18 图 3-8 岸桥结构水平位置有限元模型 18 图 3-9 岸桥结构 45 度和 80 度位置有限元模型 19 图 4-1 一阶振型图和二阶振型图 26 图 4-2

18、三阶振型图和四阶振型图 27 图 4-3 五阶振型图和六阶振型图 27 图 4-4 七阶振型图和八阶振型图 27 图 4-5 九阶振型图和十阶振型图 28 图 5-1 Ux、Uy、Uz 位移云图 . 32 图 5-2 Ux、Uy、Uz 方向的动态曲线 . 33 图 6-2 岸桥单元图 38 图 6-3 工况一和工况二 应力云图 38 图 6-4 工况三和工况四 应力云图 38 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题研究的背景、目的和意义课题研究的背景、目的和意义 1.1.1 本课题研究的背景 在我国加入 WTO 后，我国在世界国际贸易占据了越来越重要的位置。在这 样的经济全球化的背景下，我

19、国的进出口贸易规模呈现飞速增长的态势。而港 口机械也随着贸易量的扩大，逐渐发展起来。 岸边集装箱起重机是港口机械中最为常见，最为重要的一种。它是物流运 输作业的主要装备，是为集装箱运输而建造的专用装卸搬运机械，主要安装在 港口码头。人们常称之为“岸桥” 。早在上世纪五十年代，美国的马特松和帕色 科公司共同研发生产了世界上第一台岸桥。后来很快被世界上很多集装箱装卸 公司和集装箱码头所采用，到目前为止，几乎所有的国际大型港口都在使用岸 桥。随着集装箱的运输量不断增加，船舶的不断大型化，在上世纪 90 年代，出 现了“超宽巴拿马型“集装箱运输船，该船的出现可以看出，港口机械包括岸桥 的工作能力被迫需

20、要提高到新的层面。 从目前岸桥技术在国内外的发展状况以及国际贸易中航运需求来看，港口 机械的发展出现了大型化和专业化的趋势，为了满足日益增长的货运需求，为 了适应这种发展趋势，岸桥的大型化发展成为必然。除此之外，在满足使用要 求的前提下，减轻自身重量也是岸桥迫切需要发展的方向之一，这就需要对其 优化设计，从多方面升级技术，优化结构，包括采用新型材料，改变固有组装 形式等等，必要时甚至需要对其进行新工艺改革。将传统的制造装备方法改造 成新技术的机电设备，引用工业自动化，微机技术，优化液压系统和控制系统， 使新型岸桥的起重能力大幅提高，使运转效率提高，工作效率提高。 国内外许多研究机构在岸桥结构设

21、计中利用人机工程学原理，充分考虑岸 桥在工作中的振动，噪音，风压等综合因素，力求最真实的还原机械在工作时 的状态，为准确设计出高质量岸桥努力。 随着岸桥技术的日趋成熟，在设计中开始利用开发软件便捷化更改参数， 大幅提高了设计效率。同时，岸桥的主要设备及结构零件也纳入国标，与其他 成熟机械产品一样逐步实现全部标准化，为同系列不同级别产品提供了极大便 利。 我国现在已经具有能够生产外伸距超过 68m，起重重量超过 65t 的超大型 岸桥能力的企业。其中，以上海振华港机公司（ZPMC）为代表的我国港口生产 企业以其较高的设计水平和先进的生产技术，已经在世界的港口机械领域中处 于前列位置。上海振华港机

22、公司还创造出了连续多年订单量位居世界第一的成 2 绩，体现了我国企业的强大竞争力。 从国际大型港口使用的岸桥来看，虽然产自不同国家，工作环境也不同， 但是，基本结构形式基本类似，有前大梁，后大梁、海侧门框、陆侧门框、梯 形架等结构组成，由于码头港口的容量不同，还出现了双车运行岸桥，虽然外 观看起来显得更加复杂，但是使用设备和结构区别不是十分明显。小型港口一 般使用起重臂式起重设备，根据实际工作需求，以满足港口装卸为主要目标。 总而言之，由于不同港口的特点和运输状况不同，在设计岸桥的过程中， 在满足其具体设计参考参数条件下，需要对于岸桥的主要钢结构进行快速而准 确的评价，分析其结构的强度、刚度以

23、及基本的动态特性，最终实现高效的进 行结构优化设计。 1 1.1.2 课题研究的目的和意义 岸桥的钢结构是保证岸桥正常工作的基架，承载着很多运动部件的正常运 行。要使得岸桥在实际工作中能够稳定高效的执行承载。需要在设计环节准确 的、全面的对其力学性能和结构强度给予分析。早期的岸桥设计主要依托于手 工设计，手工校核。工作量巨大，并且在考虑材料和结构的力学性能时，粗放 的以经验和最大安全极限来进行设计。在这样的设计过程中，除了在关键点上 面会存在较大误差外，设计出来的岸桥自重往往过大，从材料的角度来看，产 生了很大的富余。随着计算机技术的发展，形形色色的力学校核软件进入企业 设计部门。受制于软件的

24、拓展功能局限性，岸桥钢结构的传统设计方法一般采 用许用应力法，充分考虑材料的屈服极限，通过安全系数的计算得到许用应力， 在极限受力状况下进行分析，只要满足设定的极限受力条件，就认为岸桥钢结 构可以正常工作。这样的设计方式虽然在一定程度上可以作为设计过程中的一 部分，但是并不全面。在岸桥的实际工作过程中，钢结构既要保证静止状态下 的安全性，还要充分考虑材料承受载荷的大小、方向、位置等因素变化的影响。 岸桥钢结构也必须进行静强度分析，分析的内容主要是假设岸桥在工作状 态中承受的各种载荷，同样是选取极限状况下的载荷进行分析，并且考虑在此 载荷作用下加上其他因素是否会导致问题的产生。例如小车、吊具、处

25、于前后 伸距、门框中间、拉杆间等位置进行分析。 除此之外，对于岸桥钢结构的动态特性分析方面，岸桥钢结构模型在动态 工作中受到的振动，小车在运行过程中对结构产生的影响以及在小车起吊货物 的瞬间承受的冲击载荷和综合载荷，附加动载荷等，也必须给予充分的考虑和 分析。 机械的优化设计是现代工业发展的必然产物，也是必要需求。优化设计方 法不断推陈出新，几乎在设计的每个领域都需要。也是社会发展的重要推进器。 其中，将计算机技术与机械设计融合在一起后进行优化设计，产生了极大的社 3 会效益，也为企业提高效益发挥了重要作用。随之开发的应用软件层出不穷， 也为设计者提供了选择的可能。 高效科学的优化设计从多方面

26、考虑到生产环节。 在岸桥整机设计中，通过计算机设计，能够充分模拟岸桥整机运行状态，对其 进行静态和动态分析的软件逐渐被开发、完善。其中被广泛应用的是 ANSYS 分 析软件。通过 ANSYS 的分析，使得岸桥的设计工作变得更加轻松，在保证岸桥 的安全性的条件下，更准确的分析了动态性能，提高了设计的精度。这种有限 元法对岸桥金属结构各零部件以及结构整体进行力学仿真分析，是对岸桥金属 结构优化设计的重要方法和手段，能够基本保证岸桥在工作中的可靠性。这种 仿真分析从实际设计中为岸桥钢结构的复杂状况分析带来了一种可靠的计算方 法。 在设计过程中，需要按照国际通用的设计准则执行。目前在国际招标的买 方文

27、件中普遍采用的通用规范有： FEM欧洲搬运工程协会 BSI英国标准协会标准 DIN德国工业标准 AISC美国钢结构学会 CMAA美国起重机制造者协会 ISO国际标准 JSI日本工业标准 CWB加拿大焊接局 ASTM美国材料和试验协会7 本篇论文的目的是通过现代设计方法，利用 ANSYS 分析软件对岸桥钢结构 进行分析，通过合理的分析过程，达到产品优化的效果，并为后来的相似产品 提供设计依据和参考。在 ANSYS 分析中主要对岸桥建模，通过模态分析、瞬态 分析和疲劳分析对岸桥的动态特性进行仿真。 1.2 与课题相关的国内外研究状况与课题相关的国内外研究状况 近些年来，国内外众多生产企业和研究机构

28、正着力研究产品的动态仿真设 计，将其运用到机械设计中。目前，从国内外岸桥设计机构对于岸桥金属结构 的设计技术来看，已经比较成熟。以西方发达国家为代表的先进生产企业早已 经利用有限元方法对岸桥金属结构进行开发，结合工作环境，充分考虑不利因 素对于岸桥的影响。 例如日本著名的石川岛重工考虑地震对于岸桥工作的影响， 模拟其工作状态，并利用有限元法进行动态分析，从而提高岸桥的抗震能力， 通过实验结果来看，这种分析方法和思路，证实了此优化设计方法的科学性和 可靠性。也为其他企业设计岸桥提供了参考。 利用计算机软件功能，在设计产品过程中，先行模拟产品在工作状态下的 4 各种工况所承受载荷的情况，通过计算机

29、模拟仿真模型在工作过程中的运行状 态，最后经过计算后输出结果，以此作为产品设计的重要依据。在岸桥设计中， 设计、生产企业需要充分考虑岸桥的工作特点，通过 ANSYS 软件进行设计分析。 部分研究机构在 FEM（欧洲起重机设计规范）指导下，对 ANSYS 进行二次开发， 进一步简化了软件的设计难度，通过设计参数的录入，直接得到产品的动态模 拟仿真结果和静态下的力学性能参数。 岸桥钢结构的仿真分析软件很多，ANSYS 则是众多有限元分析软件中应用 较为广泛的一款。通过其强大的功能拓展和开发，高效的分析和数据图形生成， 使岸桥钢结构的设计效率大大提高。 在岸桥的设计中，对其主体结构进行动态分析的重要

30、性不言而喻。其中模 态分析是一个必要的分析内容。从应用角度来看，模态分析的发展虽然发展时 间不长，但是它的分析意义却十分重要。模态分析最早出现在上世纪 40 年代， 当时主要应用于航空航天技术，用于分析航空器结构的动态受力状态。后来随 着技术的逐步成熟，使用范围逐渐扩大，专门用于模态分析的产品问世，结合 计算机技术，模态分析仪器开始呈现出功能性和精确度大幅提高的趋势，利用 这些功能强大的仪器分析出了许多大型的工程结构的工作固有频率和阻尼值， 从而使得模态分析的使用范围进一步扩大。直至目前，仍然有机构继续研究模 态分析，今后能够进一步提高其应用性和功能性，对今后的工程结构分析有着 重要的意义。

31、岸桥的实体较为复杂， 本文按照岸桥材料的特性和受力特点对其进行简化， 建立有限元模型。将比较复杂的起重机结构简化成主要的几个子结构，对每一 个子结构进行分析，展开假设条件，正确的设置参数，通过建模形成整机主体， 再对其展开多项动态分析。在此也不得不强调，一个更接近于实际工作状态的岸桥 有限元模型， 更能精确模拟分析出动态过程的模型， 还是需要从相对高阶模态展开的， 但是由于计算量和条件的限制，通常利用低阶模态完成，由于存在误差，因此在简化 模型过程中，需要根据岸桥的工作特点进行分块分析，并且对每个简化模块分别进行 误差校正，尽可能的使设计出的岸桥达到优化效果，这样的简化过程，虽然容易产生 偏差

32、，但是减少的计算方法和计算量，将设计效率提高了若干倍，对于设备的要求也 相对较低。 国内的一些院校和研究机构对起重机械的相关研究主要是集中在常规的起 重机械结构动态分析，通过样机对其仿真分析，但是各研究机构有各自的研究 优势，方向有差别，方法也有不同。例如上海海事大学、同济大学和武汉理工 大学对于岸桥设计研究比较深入，研究内容包括对岸桥主要构件的建模及动力 分析，防风灾、抗震、链接件疲劳强度分析、小车运动仿真模拟分析、岸桥的 有限元分析及岸桥拉杆机构的分析和运动仿真等。 5 1.3 课题研究课题研究内容内容 本课题是以上海振华港口机械公司为法国某港口设计的 65t65t 岸边集装箱起 重机为研

33、究对象，通过有限元分析软件 ANSYS，结合工作状态，建立岸桥钢结 构模型。由于岸桥钢结构的实际尺寸较大，并且结构呈现出狭长的特点，因此 从单元种类选择中选取梁单元，在后面的分析过程中，梁单元的模拟比重较大， 因此在单元特性设置中，需要相对准确设定参数，并考虑到误差补偿的因素。 钢结构通过梁单元的模拟经过试验证实是具有较高可靠性的。而且可以提高设 计效率。本文针对岸桥钢结构模型，设置相应参数，对其进行模态分析，得到 固有频率，生成振型图。通过瞬态分析，得出实际工作中岸桥钢结构的综合受 力状态及产生的影响。最后通过生成的应力数据分析其疲劳状态。为进一步优 化设计提供重要参考。 文中主要包括的内容

34、有： 1、分析岸桥钢结构的结构动力学基础知识及动态分析的理论基础知识； 2、通过 ANSYS 有限元模型模拟出岸桥钢结构整机，分析岸桥钢结构的有限 元模型简化方法； 3、对岸桥钢结构的受力状况进行分析，然后展开模态分析，为提高其稳定 性能提供数据参考； 4、 对岸桥前伸距部分进行分析， 充分考虑其受到动载荷冲击的瞬间的状态， 进行瞬态分析。通过瞬态动力响应图为 ANSYS 有限元模型的准确性提供依据。 5、对岸桥钢结构进行疲劳分析，为防止工作中岸桥结构发生疲劳破坏提供 数据参考。 6 第二章第二章 结构动态分析基本理论结构动态分析基本理论 结构动态分析的目的是为了工程结构在实际环境中承受动载荷

35、作用后的响 应提供研究方法，通过动力分析得到工程结构的动态特性，使工程结构可以在 承受动载荷的情况下较为安全的工作。 2.1 动态分析概述动态分析概述 2.1.1 动态分析的目的 在自然界中，物体受力状态通常存在静态受力，同时也存在着大量的动态 受力问题。例如一座大桥屹立多年，承载着固有压力的作用，同时也在承载着 风力对其作用，也许一场地震，在强大的振动作用下，轰然倒塌。物体的振动 问题所带来的负作用显而易见。这些振动有时具有强大破坏作用，因此，在工 程结构的研究、设计和安全性评价时，必须对结构的动态反应进行分析。然而， 由于结构在动态变化过程中不可确定性较大，所以在一般情况下，为了简化分 析

36、，常采用拟静力计算方法，通过等效静力的形式进行计算，但在这些方法中 仍然需要一些结构动力分析。例如在拟静力方法分析计算风压时，需要提供结 构的自振周期。而动态分析可以确定在动力载荷作用下工程结构承载的内力以 及产生的变形状况。 2.1.2 结构动力计算的特点 结构动力计算与静力计算相比较主要有两点不同： 1、动力计算是体现时间变化过程中的问题，因此计算中会产生一系列解， 比静力分析计算复杂且消耗时间。但是对于没有新的影响因素影响到原有的结 构时，固有的动态变化可以转变成一系列静力问题的解。 2、由于动态反应中的结构位置是随着时间而变化的，从而产生的惯性力则 对于结构将产生新的影响。在静态问题中

37、是没有这个现象的。惯性力的出现， 是结构动力学和静力学的一个本质区别。惯性力是使结构产生动力反应的本质 因素，同时惯性力的产生又是由结构的质量引起的。由此可见，对结构中质量 位置及运动描述是结构动力分析中的关键，这也使得结构动力学和静力学中对 结构体系自由度定义的不同。 2.1.3 结构离散化的方法 7 在有限元分析中，利用了结构离散化的理论。在结构动态分析中，结构的 质量是连续分布，因此它的大小和方向随时间变化，产生的惯性力也是连续分 布。如果要求准确计算确定全部的惯性力，则需要对每个点的运动进行分析计 算，这就导致结构有无限个自由度。如果对这无限个自由度都分析计算，不仅 计算量巨大，而且事

38、实证明也没有必要。在这种情况下，需要简化计算模型， 通常采用的简化方法是结构离散化法。结构离散化方法有集中质量法，广义坐 标法和有限元法。结构离散化方法可以把无限自由度问题转化成有限自由度问 题。 1、集中质量法 集中质量法就是将结构中连续分布的质量集中为几个质点，然后对其进行 分析计算。这种方法是结构动态分析时常用的方法，可以通过简化较好的体现 出实际结构的受力状况。 2、广义坐标法 广义坐标是能决定体系几何位置的彼此独立的量。通常用简化 N 个自由度 的方法表示形函数的大小，但如果形函数是位移量，则广义坐标具有位移的量 纲，但此时并不表示真实的位移物理量。 3、有限元法 有限元法将实际工程

39、结构用有限个节点处相互连接的单元组成离散系统代 替，对每个单元给定插值函数。然后叠加单元在这些节点上建立系统的求解方 程。 一般情况下，集中质量法比较简便实用，广义坐标法需要满足位移边界条 件的函数族，适用于简单结构。有限元法集中了前两种方法的特点，适用于各 种复杂结构，特别是工程结构的动力载荷问题。1 2.1.4 振动阻尼的概念 振动阻尼在平常生活中无处不在，阻尼的概念以单自由度动力体系来说， 假设给物体一个初始位移及速度，物体不会围绕平衡点永远的做往复运动，也 就是说不可能出现永不停止的自由振动。而对于自由振动产生的衰减力量正是 振动阻尼。它会使结构能量消散，振幅逐渐减小，而造成阻尼的原因

40、也是错综 复杂的。定义：阻尼是指任何振动系统在振动中，由于外界作用和系统本身固 有的原因引起的振动幅度逐渐下降的特性，以及此特性的量化表征。 不同的耗能机理产生的阻尼特点不一样，在结构振动分析中通常有三种阻 尼类别： 1、粘性阻尼 假设系统在具有粘性特点条件下以一定速度运动时，所承受阻尼力大小与 8 位移速度成正比，方向和速度的方向相反。粘性阻尼可以表示为 )(txcFD= （2-1） 在工程结构分析中，常采用粘性阻尼构建阻尼模型。 2、滞变阻尼 也称为结构阻尼，主要体现材料内部摩擦耗能机理，因此也被称为材料阻 尼。从公式中看出，在简谐振动中，阻尼力与位移 x 成正比，相位与速度 x 相 同：

41、 ) 4 T kx(t-FD+= （2-2） 其中， 为滞变阻尼系数，k 为刚度系数，T 为简谐振动周期。 3、摩擦阻尼 又名干摩擦阻尼： x x - NFD= （2-3） 其中，为动摩擦系数，N为接触摩擦面间的正压力； x 、 x 分别为速度和 速度的绝对值。 2.2 运动方程运动方程式的建立式的建立 在工程技术中通常采用数学建模的方式来假设分析一个规律，并且通过验 证后，应用于实际，解决实际问题。一个完整的数学建模过程是一个长期深入 研究，发现，总结的过程。 动态分析是一个典型的数学建模的过程。通过研究其规律，用数学的方法 表示出动态分析的过程，就需要在动态系统中建立运动方程。 通常的动力

42、问题位移函数是时间的函数，由此系统就存在速度和加速度， 并会随之产生阻尼力和惯性力。这种因果关系的相互关联可用微分方程描述， 因此动力响应的求解就是求解系统的微分方程。2 2.2.1 动力体系运动方程的建立 针对单自由度动力系统常用的运动方程是利用达朗贝尔原理建立的运动方 程，也称之为直接平衡法，如下： 0=+ ZI FF （2-4） 9 式中FI为惯性力，FD为阻尼力，根据图 2-1 表示的单自由度动力系统的受 力可以得出根据达朗贝尔原理列出的运动方程： 0)()()()(=+tPtFtFtF SDI （2-5） FS 为弹性恢复力，G 为重力和 P(t)为外力。 通过导数变换，位移和受力情

43、况可以得到： - k x( t )(F ( t )x-c)(F (t)x-m)( S D = = = t t tFI （2-6） 运动方程变换如下： ( t )x m +(t)x c +kx(t)=p(t) （2-7） 图 2-1 单自由度动力系统运动受力简图 在利用达朗贝尔原理建立运动方程的方法中，结合主动力和惯性力得出平 衡方程，是建立方程的必要基础。 除此之外，还可以利用虚位移原理和哈密顿原理建立运动方程，这里不作 阐述。相对来说，达朗贝尔原理应用最广泛，结合工程结构的受力特点，容易 写出运动方程。 这里特别需要强调上述分析过程没有考虑静力学对运动方程建立的影响， 这并不表示没有影响，只

44、是上述过程假设为理想模型分析，在实际设计中有时 需要综合考虑构建平衡方程。 2.4 本章小结本章小结 本章主要分析了动力学基础及运动方程建立等基础知识，目的是围绕动态 分析的理论展开介绍在岸桥结构分析中以单元为基础的离散化理论基础知识和 运动方程建立，并且简单阐述了运动方程的综合建立必要性。 这些理论基础知识的阐述，是动态分析中必要的计算理论依据，为整个分 析提供了理论支持，提供了数学解决方法和实现。也为静力学和动力学提供了 参考数据。 10 第第三三章章 岸桥结构有限元模型的构建岸桥结构有限元模型的构建 工程结构的有限元模型建立主要利用了有限元单元法的思想。有限单元法 的思想最早来源于上个世

45、纪 60 年代美国科拉福的“有限元”的提法。发展到现 在，有限元法的应用已经拓展到若干领域，无论是从结构还是材料，都可以利 用有限元法的应用进行分析。并且通过过程分析，开发出了专用软件，基本解 决了各领域中遇到的分析过程较为复杂的问题，简化了计算过程。有限元的应 用促进了科学发展，由于在多领域应用的成功，有限元软件已经成为企业提高 效益的重要工具。同时也反应出有限元法的应用也已经比较成熟。3 3.1 有限元法理论和有限元法理论和 ANSYS 分析软件分析软件 3.1.1 有限元法基本思想 有限元法是在力学模型上近似的数值方法，它的基本思想可以概括为“先 分后总”或“化整为零又积零为整” 。具体

46、地说，就是将连续体或结构划分为许 多单元通过一些节点把有限个单元连成集合体代替原来的连续体或结构，即把 连续体转化为离散模型来进行力学分析。根据物体的几何形状特征、载荷特征、 边界约束特征等，单元有各种类型。节点一般都在单元边界上，节点的位移分 量作为结构的基本未知量。根据分块近似的思想，选择简单的函数近似地表示 单元内位移变化规律，利用力学推导建立单元的平衡方程组，再把所有单元的 方程组集合成表示整个结构的力学特性的代数方程组，最后引入边界条件求解 代数方程组获得数值解。 4 由上述理论可以看到，有限单元法的实质就是将模型单元复杂的弹性连续 体简化成集合体，并且将无限个自由度简化成有限个自由

47、度。这样有效的简化 了求解过程，在岸桥模型的构建中将梁单元离散成有限自由度的具有一定数量 单元体，通过对各个单元体上节点位移应力分析，来获得所需的计算数据。 3.1.2 有限元法计算步骤 有限元法将结构离散成具有一定数量的单元体，通过节点连接，彼此相邻 的单元体拥有共同的节点，其位移等参数均相同，相近的节点根据变形情况形 成函数关联，在这样的构架下，无论结构形态多么复杂，都可以通过矩阵方程 来建立彼此联系。总体的作法如下： 1、物体离散化 所谓的离散化，是指对分析主体进行单元分割，形成便于计算的构架，单 元之间通过节点彼此相连，根据设计需求，对节点进行参数设置。在分析主体 11 离散的单元体数

48、量上，理论上越多分析越精确，越接近实际状态，因此，通过 有限元法分析，结果可以实现无限接近实际情况，却无法达到等同。 2、单元特性分析 （1）选择位移模式 常见的节点参数设置有位移法、力法和混合法三种，其中位移法应用最广 泛。位移法是在节点设置未知量时选取位移展开，而力法是选择节点受力作为 未知量，将两者综合起来，各选一部分节点，则是混合法。 如果选用位移法，则可以利用函数表达节点位移的特点，同时也可以将固 定物理量参数简化成位移来处理。 （2）分析单元的力学性质 单元的力学性质分析是整个分析设置环节中重要的一步。需要根据材料特 点、性质、离散单元体数目等条件进行设置。通过数学关系式或者简单函

49、数将 节点与单元体的受力与位移关联。 （3）计算等效节点力 分析主体离散成若干单元体，分析受力本身是连续传导的，单元之间需要 相互作用，而节点则传递单元之间的这种受力关系，因此通过节点力的分析， 等效了单元的受力，对其进行计算，能够反映出近似的结果。一般分析单元之 间传递受力状况时，都是利用等效节点力来实现。 3.1.3 ANSYS 分析软件概述 ANSYS 是有限元领域的大型通用程序，其融结构、热、流体、电磁、声学 于一体，广泛用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、汽车交通、 土木工程、造船工业、生物医学、轻工业、水利工程等工业科学研究。 ANSYS 还具有多物理场耦合功能，可以对模型进行多形式耦合计算。例如： 热结构耦合、磁结构耦合、电磁流体热耦合。 ANSYS 分析软件中一般有两种运行模式：一种是交互模式（Interactive Mode） ，另一种是命令流模式（Batch Mode)。交互模式利于操作，界面直观、 形象具体，使用起来较为方便，大多数人应用均选用这种模式。命令流模式适 合熟练掌握 ANSYS