摘要：针对普通风力发电机塔吊装机钢制横梁，重量大、易受到振动破坏的特性，基于铝制结构重量轻、耐腐蚀、易加工等特点，将原钢制横梁改为铝制结构，使用ANSYS Workbench软件对其进行有限元网格划分、静态特性分析、模态分析和谐响应分析，分析其刚度和强度。基于有限元分析结果，对横梁结构进行改进，使吊装机的激振频率远离横梁共振频率，可有效避免工作过程中产生共振，增加风力发电机塔吊装机横梁的稳定性以及耐疲劳性，提高设备的使用寿命。

　　关键词：风力发电机塔吊装机横梁，静态分析，模态分析，谐响应分析

　　0引言

　　ANSYS Workbench拥有强大的有限元分析能力，在静力学、动力学、模态、谐响应等方面分析效果良好，受到国内外学者的广泛认可[1-4]。马俊伟[5]利用ANSYS Workbench对带式输送机中间机架进行模态分析和谐响应分析，求出了机架的共振频率点及振动幅值与激振频率的关系，推出发生大幅振动的频率范围。李飞伟[6]利用ANSYS Workbench对机械臂进行静力学和振动响应进行分析，确定在谐振型下机械臂结构结构的稳定性。苏长青[7]等通过静力学分析，确定送料机器人机械手的结构设计合理。ANSYS Workbench在产品设计使用广泛，其强大的有限元分析能力缩短了产品开发周期、降低成本、提高品质，同时分析出现有产品存在的不足，评估出产品安全性能，ANSYS Workbench用于机械结构的有限元分析，在多个领域得到广大学者的认可与研究[8-12]。

　　风力发电机是将风能进行转换形成电能的电力设备，风力发电机组在风力发电设备中占据着重要的地位，其中风力发电机塔是承载风力发电机组主要部件[13]。实际运行的时候，风力发电机经常处于超负荷的运行状态，再加上外界环境等因素的影响，风力发电机塔内附件使用状况恶劣，内附件的性能直接影响到风力发电机塔的使用性能和使用寿命。

　　传统风力发电机塔吊装机横梁多采用钢制结构，存在重量大，易腐蚀，寿命短，回收利润低等缺点，本文基于ANSYS Workbench有限元分析，将风力发电机塔吊装机横梁由钢制结构改为铝制结构，对风力发电机塔吊装机横梁进行了静态、模态分析和谐响应分析研究，横梁的稳定性以及耐疲劳性明显增加；增加了使用寿命，有效降低了每年的维护保养费用，为风力发电机塔吊装机横梁设计优化提供理论支持。

　　1横梁的静力学分析

　　利用SolidWorks三维软件搭建风力发电机塔吊装机横梁的三维模型，首先在模块设计中对单个零件设计与绘制，然后在装配体中进行各零部件装配与调整，最后进行各零部件的干涉分析，调整结构确定无干涉。

　　风力发电机塔吊装机横梁的三维模型导入ANSYSWorkbench中，风力发电机塔吊装机横梁结构三维图如图1所示，其中A、B处为横梁与风机塔外壳固定端，不同零部件之间采用螺栓固定，C处为吊装机安装处，受力方向沿Y轴负方向，正常工作时，工作人员控制C处吊装机从地面向上吊装货物。同时横梁起到对风机塔辅助支撑的作用，所以吊装机横梁力学性能的好坏关系到风机内部货物运输安全性和风机塔结构的强度。

　　将在ANSYS Workbench中设定材料属性，风机内吊装机横梁材料为铝合金，密度为2.77×103 kg/m3，弹性模量为71 GPa，泊松比为0.33[14]。为减小电脑计算时间和存储效率，采用自由网格划分网格，考虑到分析结构的尺寸较大，确定选用网格尺寸为50 mm，单元数为125 331，节点数为59 754的有限元模型进行后面的分析求解工作，网格划分结果如图1所示。

　　载荷和结构响应变形随时间的变化非常缓慢，可近似为线性变形，位移{X}由下面的矩阵方程解出:

　　[K]{X}=[F]（1）

　　式中，K为刚度矩阵，矩阵必须连续；F为静力载荷，静止状态下其值的大小不随时间变化，同时不考虑质量和阻尼的影响。

　　有限元模型导入到Static Structural模块，通过静力学分析对风机内吊装机横梁进行有限元分析，A、B处螺栓孔内表面设定为固定支承，A、B处固定孔底面设置为无摩擦支撑，C处螺栓孔表面为力受力处，施加一个向下的力，模拟重物的重量，施加静力-1 000 N，由于重力为恒定力，在“表格数据”中设置载荷步1的力为1 000 N，时间0 s，载荷步2的力为1 000 N，时间360 000 s。

　　求解结束，进行结束后处理，添加总变形、等效应力变形等命令，静力学分析结果如图2~3所示，仿真结果可知，静力最大变形发生在C处螺栓孔处，最大变形0.069 mm，平均变形0.028 mm，最大等效应力7.76 MPa，图4为横梁载荷测试过程，在C处螺栓孔处施加0.1吨静载，进行100 h实验，试验结果为C处变形量0.062 mm，因试验过程受到外界环境等因素的影响，受力无法做到与仿真完全相同，仿真结果与试验结果略有偏差，差值小于10%，认为仿真和试验结果正确，材料满足性能要求，同时间接证明仿真的正确性和可行性。

　　2横梁模态分析

　　仅对风机吊装机横梁进行静力学分析尚无法满足机横梁刚度和强度的设计要求。采用有限元进行模态分析和谐响应分析，评估吊装机横梁动态性能，可以发现其薄弱部位，为进一步优化改进吊装机横梁结构提供理论指导[15]。

　　模态分析用于确定风机吊装机横梁的固有频率和阵型，要找出影响结构动力响应的外在激励频率范围，从而对风机吊装机横梁进行优化设计。

　　对于模态分析，振动无阻尼振动满足以下公式：

　　式（4）振动方程的特征值方程，通过特征值可求得风机吊装机横梁的固有频率。

　　将风机吊装机横梁模型导入“模态”模块中，材料设置、受力分析等按静态分析进行相应的设置模态分析设计为6阶，得到前6阶振型，如图5~10所示。

　　由仿真结果可知，横梁第1阶固有频率为26.985 Hz，横梁从两固定端沿Z轴方向向中心弯曲，在受力（C处）变形量较大，最大变形4.134 2 mm；第2阶固有频率为76.778 Hz，横梁沿Z轴方向整体扭曲，两固定端变形量较大，最大变形10.772 mm；第3阶固有频率为79.889 Hz，横梁从两固定端沿Z轴方向向中心弯曲，在受力（C处）变形量较大，变形位移4.131 6 mm；第4阶固有频率为84.398 Hz，两固定端变形量较大；变形位移54.779 mm；第5阶固有频率为88.594 Hz，两固定端变形量较大；变形位移55.981 mm；横梁第6阶固有频率为134.34 Hz，横梁从两固定端沿Z轴方向、Y轴方向弯曲，两固定端变形量较大；变形位移8.620 4 mm。风力发电机一般运行频率小于15 Hz，风力发电机塔振动频率与横梁的前六阶振动相差较大，横梁的主结构较为合理，两固定端变形量较大，需要在两端固定端施加约束，以确保整个横梁结构的稳定性。

　　3谐响应分析

　　谐响应分析用于确定系统中结构在承受随简谐规律变化的载荷时的稳态响应。计算出结构在不同频率下的频率曲线，预测结构的持续动力学特征，从而验证设计能否成功地克服共振[16]。

　　[M]{X…}+[C]{X.}+[K]{X}={F}sinωt（5）

　　式中：C为阻尼矩阵。

　　现分析风机吊装机工作时对横梁的影响，找到结构的稳态响应共振，确定吊装电机的运行频率范围，横梁可以良好运行的简谐负载[17]。将横梁有限元模型导入Harmonic Response模块中，设置激振频率为1~300 Hz，此时C处受力受到吊装货物的影响，为动载荷5 000 N，计算横梁结构变形和激励频率之间的关系曲线。

　　仿真结果如图11~12所示，结果表明，随激振频率的增加，振幅变化趋势先增大后减小，在68 Hz时，最易引起共振，共振总变形1.246 mm，吊装电机的运行频率需要避开68 Hz附近值，以减少共振的发生概率。

　　4结束语

　　本文利用铝制材料质量轻，寿命长，易维护的特性，对风机吊装机铝制横梁进行了建模，并导入ANSYS Workbench中对其进行了静力学分析、模态分析以及谐响应分析，确定了静力学分析下风机吊装机铝制横梁的变形量、最大应力、等数据；模态分析确定了铝制横梁的共振频率；谐响应分析确定了外界激振频率（10~300 Hz）下，铝制横梁的的共振频率，找到了68 Hz外界振动频率时，最易引起结构的共振，结果表明计算数据均能满足使用要求。可见，将风机吊装机钢制横梁改为铝制结构，总成降重30%以上，稳定性以及耐疲劳性明显增加，寿命提升超过1倍。为以后的优化改进提供理论和试验基础。

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