許豐，楊煜新，林旭

(廣東金明精機股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

重包吹膜機組的塔架比較高，塔架剛度不足會容易晃動。針對此類問題，應(yīng)用Ansys Workbench對不同結(jié)構(gòu)特點的單層塔架做單一變量對比分析，直觀地得出薄弱環(huán)節(jié)的位置，找出改進剛度的方向。從結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、成本方面去平衡，采用相對合適的方式，并有針對性的加以改善。利用管理軟件進行分析和模擬設(shè)計，通過系統(tǒng)把控核心質(zhì)量點，避免盲目的改動造成不必要的浪費。

線性材料結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析經(jīng)常應(yīng)用于土木行業(yè)的塔架、橋梁等的抗震計算，同時也在機械行業(yè)的振動疲勞分析等有廣泛應(yīng)用。在Ansys Workbench中，做建筑物地震分析一般采用瞬態(tài)動力學(xué)分析或響應(yīng)譜分析。瞬態(tài)動力學(xué)分析是時域分析；響應(yīng)譜分析是頻域分析。

瞬態(tài)動力學(xué)分析（亦稱時間歷程分析）是用于確定承受任意的隨時間變化載荷結(jié)構(gòu)的動力學(xué)響應(yīng)的一種方法?？梢杂盟矐B(tài)動力學(xué)分析確定結(jié)構(gòu)在穩(wěn)態(tài)載荷、瞬態(tài)載荷和簡諧載荷的隨意組合作用下的隨時間變化的位移、應(yīng)變、應(yīng)力及力。載荷和時間的相關(guān)性使得慣性力和阻尼作用比較重要。瞬態(tài)動力學(xué)分析可采用三種方法：完全法、模態(tài)疊加法以及縮減法。

1 建立幾何模型

塔架按照立柱、梁、柱腳、支撐斜桿這幾個部分進行搭接，根據(jù)前期經(jīng)驗選用型材規(guī)格及尺寸，根據(jù)不同單一變量依次修改立柱、梁、支撐斜桿型材大小與長度。根據(jù)前期經(jīng)驗，影響塔架剛度的無非是立柱的型材大小/厚度，支撐斜桿的型材大小/長度，通過Solidworks創(chuàng)建出不同的幾何模型，如圖1所示。

圖1 幾種不同的塔架solidworks模型

其中（a）為改善前模型 ，（b）為立柱方管加大，（c）為立柱方管加厚，（d）為支撐斜桿型材加大，（e）為支撐斜桿加長，（f）為立柱方管加大，橫拉桿型材加大，加豎撐，（g）為立柱方管加大，橫拉桿采用方管，加豎撐。

單層塔架主要尺寸參數(shù)：（a）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（b）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（c）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×10 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（d）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿160 mm×65 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（e）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱200 mm×200 mm×6 mm，支撐斜桿高度900 mm；（f）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，橫拉桿160 mm×65 mm，加豎撐120 mm×53 mm，支撐斜桿高度1 700 mm；（g）框架槽鋼200 mm×75 mm，立柱間距4 200 mm×4 200 mm，層高2 980 mm，支撐斜桿100 mm×48 mm，立柱250 mm×250 mm×6 mm，橫拉桿160 mm×80 mm×6 mm，加豎撐120 mm×53 mm，支撐斜桿高度1 700 mm。

2 受力仿真模擬過程

（1）創(chuàng)建瞬態(tài)動力學(xué)分析

動力學(xué)問題遵循的平衡方程為：

式中，[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x"}是加速度矢量。

動力學(xué)分析適用于快速加載、沖擊碰撞的情況，在這種情況下慣性力和阻尼的影響不能被忽略。如果結(jié)構(gòu)靜定，載荷速度較慢，則動力學(xué)計算結(jié)果將等同于靜力學(xué)計算結(jié)果。由于動力學(xué)問題需要考慮結(jié)構(gòu)的慣性，因此對于動力學(xué)分析來說，材料參數(shù)必須定義密度，另外材料的彈性模量和泊松比也是必不可少的輸入?yún)?shù)。

瞬態(tài)動力學(xué)分析具有廣泛的應(yīng)用。對承受各種隨時間變化的載荷的結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑物等，都可以用瞬態(tài)動力學(xué)分析來對它們的動力響應(yīng)過程中的剛度、強度進行計算模擬。如圖2所示。

知識內(nèi)化則主要以課堂教學(xué)為主，老師可以結(jié)合學(xué)生刻苦學(xué)習(xí)的實質(zhì)情況，針對學(xué)生所存在的不足進行有效的輔導(dǎo)。因此，翻轉(zhuǎn)課堂能夠有效地促進學(xué)生課前預(yù)習(xí)時間的延長，在完成主體教學(xué)之后，學(xué)生可以在課外觀看不同的視頻，采取不同的手段和途徑查閱相關(guān)的教學(xué)資料和學(xué)習(xí)資料，對個人所學(xué)習(xí)的知識進行進一步的鞏固。老師則可以結(jié)合學(xué)生作業(yè)完成的實質(zhì)情況對學(xué)生的知識點進行有效的檢驗，以此來為后續(xù)教學(xué)活動的開展提供更多的依據(jù)。

圖2 瞬態(tài)動力學(xué)分析項目

（2）導(dǎo)入幾何模型

本文通過Ansys Workbench對重包吹膜機組的單層塔架進行受力仿真分析，首先將創(chuàng)建的單層塔架幾何模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，導(dǎo)入后查看模型是否正常合理，有無缺陷。導(dǎo)入后的模型如圖3所示。由于導(dǎo)入方法一致，分析方法一致，模型外觀相近，故在此受力仿真模擬過程中僅顯示改善前模型的分析過程，其他模型的模擬基本一致。圖3顯示的僅為改善前模型，其他模型暫不贅述。

圖3 改善前模型

（3）添加材料信息

本文選擇的材料Structural Steel（結(jié)構(gòu)鋼），此材料為Ansys Workbench19.0默認被選中的材料，故不需要設(shè)置。

（4）網(wǎng)格劃分

本文主要分析塔架震動變形量與結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)聯(lián)性，故網(wǎng)格大小對變形量大小影響不大，主要是影響應(yīng)力表現(xiàn)。設(shè)置網(wǎng)格大小為50 mm，其余采用默認設(shè)置。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

（5）施加約束

先對立柱四個柱腳節(jié)點施加固定約束。在Analysis Settings里設(shè)置時間步參數(shù)，設(shè)置步數(shù)為20步，每步為0.1 s，選擇求解器類型Direct，其余選項為默認，再輸入地震加速度譜數(shù)據(jù)。由于我們做的是對比分析，而且動力學(xué)分析所需的計算時間較長。在此由于要減少計算量，加快計算速度，對地震加速度譜數(shù)據(jù)做了調(diào)整，只取前2 s的數(shù)值進行分析。如圖5所示。

圖5 地震加速度譜

約束條件的設(shè)定如圖6所示。

圖6 約束條件

3 受力仿真模擬結(jié)果分析

模擬分析結(jié)果及輸出的變形曲線可以看出，變形量最大的時間為0.92 s，此時塔架變形量最大處為支撐斜桿橫拉桿，變形量為2.1 404 mm。變形量大小依照橫拉桿、平臺框架、立柱遞減。通過軟件后處理的Probe，可得到局部個別面的變形量，通過分析得到兩個方向的平臺變形量，可以看到塔架平臺在X軸方向的變形量為1.263 mm，在Y軸方向的變形量為0.9 903 mm，對比得到塔架平臺的變形量。如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 總變形量

圖8 X軸方向的變形量

圖9 Y軸方向的變形量

由此分析進程對其他幾種模型進行受力分析，得到的結(jié)果如圖10所示。

圖10 幾種不同塔架的變形量結(jié)果

其中（a）為改善前模型 ，（b）為立柱方管加大，（c）為立柱方管加厚，（d）為支撐斜桿型材加大，（e）為支撐斜桿加長，（f）為立柱方管加大，橫拉桿型材加大，加豎撐，（g）為立柱方管加大，橫拉桿采用方管，加豎撐。

以下為模擬后的具體結(jié)果數(shù)值，如表1所示。

表1 幾種不同塔架的變形量結(jié)果數(shù)值

從結(jié)果可以看出，改善后的模型對比改善前的抗震性能均有不同程度的提升。塔架變形量最大處均為支撐斜桿橫拉桿，變形量大小均為依照橫拉桿、平臺框架、立柱遞減。從塔架最大形變差作對比，立柱方管加大，橫拉桿型材加大，加豎撐和立柱方管加大，橫拉桿采用方管，加豎撐提升效果最明顯。從平臺最大形變差作對比，支撐斜桿加長有最為明顯的提升。從塔架重量差作對比，立柱方管加大和支撐斜桿加長最為經(jīng)濟，成本增加最少。

4 結(jié)語

（1）重包吹膜機組由于其工藝性，其塔架一般都會比較高，整個塔架的高寬比會比較大，單獨取一層來做模擬分析，能夠定性、直觀地得出薄弱環(huán)節(jié)的位置，并有針對性的加以改善，避免盲目的改動造成不必要的浪費。

（2）立柱、橫梁的截面慣性矩是決定剛度的主要因素，而全部采用高慣性矩的型材（如寬翼H鋼等），則會大大增加成本。

（3）軟件分析是基于理想狀態(tài)下的運算，而實際貼合面的平整度、螺栓鎖緊力等因素均未考慮進去。塔架都是用螺栓拼接緊固的，貼合面的鎖緊力、烤漆后的摩擦系數(shù)都會對塔架剛度產(chǎn)生影響。

（4）結(jié)合不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)分析，為合理控制成本，對重包吹膜機組的塔架可以采用立柱方管加大和支撐斜桿加長的方案，同時局部采用支撐斜桿型材加大的方案。

（5）應(yīng)用Ansys Workbench進行有限元分析，可提前了解結(jié)構(gòu)的受力變形情況，為結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。