【摘 要】本文在充分考虑了能代表井架结构实际承载状态的载荷分布的情况下，利用ANSYS软件对施工升降机井架结构进行了结构静力分析和模态分析，后处理得出的应力、应变云图，为升降机井架结构的强度设计提供了参考；得出的固有频率和振型为井架结构提供了具体的动载荷参数，同时也可为探求同类结构的动力学特性提供一些有用的参考。
【关键词】升降机井架；ANSYS；有限元
升降机井架是最主要的承载结构部件，其质量在结构总质量中所占比例最高，且对其他结构影响较大。因此，考虑升降机在上、下运输人或物时，尤其在启动、停车阶段，井架结构将受到比静载荷大得多的动载荷影响，极可能出现在动态载荷作用下的结构振动失稳现象，破坏升降机的性能。鉴于此，本文对升降机井架进行了模态分析。
1.建立有限元模型
传统的工程计算方法误差较大，而三维有限元分析软件ANSYS解决了这种计算上的不足，使其既有利于理论分析计算，又能满足工程上的精度要求。
根据施工升降机井架的结构特点，在ANSYS中可利用梁单元来模拟施工升降机的结构，在建立模型时做以下两点处理：（1）井架立柱、水平杆和斜拉杆的每个连接点根据实际尺寸都建立了节点，保证有限元模型与井架在几何上的相同。（2）井架底部结构刚度很大，又与地基用地脚螺栓相连，认为在底部能承受弯矩，即假定它是固接支座；附着装置通过销轴与井架相连，连杆以梁单元处理，根部与墙身的连接作为固接支座。
以本研究所研制开发的SSD100型曳引式施工升降机为例进行分析。该升降机选用钢材的弹性模量EX=210GPa、泊松比μ=0.3、密度ρ=7800kg/m3,井架主要钢结构件选用的截面尺寸如图1所示。在ANSYS中建立的井架模型（取井架搭设高度12m，附着高度9m为例）如图1所示，模型共有节点42个，单元91个。
2.井架结构静力学分析
2.1加载及求解
结构静力学分析主要用于仿真施工升降机井架的受载荷状态，得出静载荷作用下井架的应力分布、满载变形程度，从而分析各部件是否具有与额定载荷和工作条件相适应的强度。在满载的实际工况下，井架所承受的载荷除自重外，还有各种外加载荷，它通过天梁作用于井架顶部。根据图1计算模型，用定义材料密度和加重力加速度的方式来模拟井架的自重，满载载荷1000N分布在井架顶部对角节点上。完成加载约束、定义分析类型等前处理后，即可开始有限元求解。
2.2结果分析
满载情况下施工升降机井架结构位移云图和应力云图。
由云图分析可知，井架承载以Z向位移为主，且顶部4个节点的位移值最大，其最大位移为2.758mm（如图2所示）；井架四根立柱为主要承载杆件，截面最大应力为129.63MPa，Q235的许用应力为235MPa，强度满足要求（如图3所示）。由有限元分析结果的应力和应变分布情况得出的最大应力和变形出现的位置与实际情况相符，说明该有限元分析求解结果是科学、可靠的，可为施工升降机井架结构的设计提供参考。
１－井架立柱；２－水平杆；
３－水平杆；４－附着拉杆。
3.1模态分析基本理论
模态分析用于确定井架部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，其分析结果可作为其他动力学分析的基础。振动不但可能造成升降机结构的疲劳破坏，还会产生共振和噪声，因此井架结构振动特性的优劣对整个升降机的性能有重要影响，必须对升降机井架进行模态分析。
典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是特征值问题：([K]-ω2[M]){φ}={0}
式中：[K]—刚度矩阵；[M]—质量矩阵；ω— 振动固有频率；{φ}—节点位移列阵
模态分析的实质就是计算该特征方程的特征值ωi及其对应的特征向量{φi}。
3.2加载及求解
在ANSYS中模态分析唯一有效的“载荷”是零位移约束，因此为了模拟实际情况把节点1、2、3、4 （见模型图1）的自由度全部约束，用定义材料密度和加重力加速度的方式来模拟升降机井架的自重。采用Block Lanczos方法求解，它使用了一个稀疏矩阵求解器，其求解收敛速度与求解低阶频率时基本一样快，特别适用于大型对称特征值求解问题。低阶固有频率对系统的动力学相应影响较大，而高阶固有频率影响较小，所以对其而言只需提取其低阶固有频率就能很好的反映系统动力特性。
3.3模态计算结果分析
1）当系统的固有频率与激励频率一致时，将会发生共振。表1中数据意味着当外部激励频率接近表中数据时，会产生很高的动应力，造成结构的破坏或产生不允许的变形。可通过修改设计，改变整机振动出现的频率
范围，防止发生共振。
2）通过对前六阶振型分析可以得出以下几点结论：
井架结构的一阶振型是架身绕固定点左右摇摆振动；二阶振型是架身绕固定点前后摇摆振动；三阶振型是架身绕固定点在水平面内扭转振动；四阶振型是架身左右弯曲振动；五阶振型是架身前后弯曲振动；六阶振型是架身在水平面内弯扭组合振动。
4.结束语
本文在建立施工升降机井架结构的有限元模型的基础上，充分考虑了能代表井架结构实际承载状态的载荷分布，由有限元分析后处理得到的应力和变形大小及分布情况不仅可为升降机井架结构的强度设计提供参考，同时可作为升降机井架承载能力可靠性评估的研究基础。 [科]
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