李鵬飛

(江蘇省交通技師學(xué)院車輛工程系,江蘇鎮(zhèn)江 212127)

基于ANSYS仿真優(yōu)化的壓路機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)

李鵬飛

(江蘇省交通技師學(xué)院車輛工程系,江蘇鎮(zhèn)江 212127)

為了對(duì)壓實(shí)設(shè)備的機(jī)架進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)而提高壓實(shí)設(shè)備整機(jī)的工作性能并改善路面質(zhì)量,以手扶式壓路機(jī)為樣機(jī),運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其機(jī)架進(jìn)行了靜力分析和振動(dòng)模態(tài)分析,并計(jì)算其受力變形.結(jié)果表明:靜態(tài)載荷下機(jī)架各處位移較小,應(yīng)力均低于機(jī)架的屈服強(qiáng)度;機(jī)架最低階固有頻率為47．466 Hz,其余固有頻率均大于60 Hz;樣機(jī)工作頻率小于機(jī)架的固有頻率,不會(huì)發(fā)生共振.機(jī)架的設(shè)計(jì)具有一定的合理性.

機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);靜力分析;模態(tài)分析;共振

0 引 言

不管是道路建設(shè)還是道路養(yǎng)護(hù),路面壓實(shí)是保證質(zhì)量的一個(gè)關(guān)鍵因素,而壓路機(jī)性能的優(yōu)劣是保證壓實(shí)質(zhì)量的前提[1-5].在壓路機(jī)中,機(jī)架直接或間接地支承機(jī)器的其他零部件,保證各零部件具有確定的相互位置,并將整機(jī)的質(zhì)量及機(jī)器工作時(shí)所承受的各種作用力傳遞給基礎(chǔ),使機(jī)器穩(wěn)定在基礎(chǔ)上承受設(shè)備內(nèi)力,是壓路機(jī)中承上啟下的關(guān)鍵部件[6-10].因此,機(jī)架必須具有足夠的動(dòng)、靜強(qiáng)度和剛度,以保證壓路機(jī)的正常作業(yè)及作業(yè)質(zhì)量.

對(duì)壓實(shí)樣機(jī)機(jī)架的有限元分析,可模擬真實(shí)情況下機(jī)架的應(yīng)力分布和變形情況;因此,在增加機(jī)架的可靠性、提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短開(kāi)發(fā)周期、模擬試驗(yàn)方案、減少試驗(yàn)次數(shù)、降低成本等方面具有重要意義[11-15].本文以小型手扶式振動(dòng)壓路機(jī)為例,對(duì)其機(jī)架進(jìn)行ANSYS仿真設(shè)計(jì),采用靜態(tài)分析校核其強(qiáng)度和剛度,并通過(guò)模態(tài)分析得到機(jī)架振動(dòng)的固有頻率及相應(yīng)振型,從而進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,降低原材料成本,實(shí)現(xiàn)用最少的材料生產(chǎn)最可靠的機(jī)架產(chǎn)品,為壓路機(jī)的開(kāi)發(fā)提供一定參考.

1 模型的建立

力學(xué)分析的方法可以分為解析法和數(shù)值法兩類.解析法只能解決一些方程性質(zhì)比較簡(jiǎn)單且?guī)缀芜吔缦喈?dāng)規(guī)則的少數(shù)問(wèn)題.數(shù)值法中應(yīng)用最為廣泛的是有限單元法(FEM,Finite Element Method)[16].即通過(guò)建立壓路機(jī)機(jī)架的計(jì)算模型,對(duì)機(jī)架的各種工況進(jìn)行受力分析和有限元分析,并計(jì)算得出機(jī)架在各種工況下的結(jié)構(gòu)信息,如應(yīng)力、變形等情況;還可以直觀地在計(jì)算機(jī)上看到機(jī)架在受載后的彈性變形情況,為合理的設(shè)計(jì)提供形象的依據(jù);同時(shí),對(duì)機(jī)架應(yīng)力、變形的分析和比較,能夠?yàn)楫a(chǎn)品的完善設(shè)計(jì)提供有意義的建議.

因此,本文在Pro/E下建立三維模型,依據(jù)壓路機(jī)實(shí)際受力狀況建立有限元模型,然后導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行計(jì)算.在ANSYS仿真計(jì)算中,網(wǎng)格精度是一個(gè)關(guān)鍵,決定著最終計(jì)算的速度和精確率[17].為了獲得高質(zhì)量網(wǎng)格以及準(zhǔn)確、快速的計(jì)算,需要對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行一些簡(jiǎn)化及假設(shè).

(1)在不影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的基礎(chǔ)上,刪除零件中的倒角、倒圓角、孔及螺栓、螺釘?shù)燃?xì)節(jié)特征.

(3)不考慮焊縫對(duì)結(jié)構(gòu)材料性能及變形的影響.

(4)忽略將減振塊視為剛性材料對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響.

(5)忽略扶手對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響.

最終得到簡(jiǎn)化后的機(jī)架模型如圖1所示.

圖1 機(jī)架整體結(jié)構(gòu)幾何模型

2 機(jī)架靜力學(xué)分析

2．1 定義材料屬性

機(jī)架用來(lái)安裝電機(jī)并支撐鋼輪,其結(jié)構(gòu)主要由鋼板相互焊接或由螺栓連接而成.本文壓實(shí)樣機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)材料選用Q235鋼,根據(jù)《機(jī)械工程材料》查得Q235鋼的材料屬性,如表1所示.

首先對(duì)所需數(shù)據(jù)量進(jìn)行分析.由于矩陣V的行數(shù)L越大，式(13)中近似得到的高斯分布越準(zhǔn)確，當(dāng)接收數(shù)據(jù)量無(wú)窮大時(shí)，理論上總是能完成識(shí)別.但在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，截獲數(shù)據(jù)量總是有限的.因此，需要對(duì)不同誤比特率下識(shí)別所需的數(shù)據(jù)量進(jìn)行分析.

表1 機(jī)架結(jié)構(gòu)材料屬性

2．2 網(wǎng)格劃分

對(duì)于三維幾何模型而言,軟件中提供了自動(dòng)網(wǎng)格劃分、四面體網(wǎng)格劃分、六面體網(wǎng)格劃分、掃掠法等多種網(wǎng)格劃分方法.本文對(duì)整個(gè)裝配體采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法,然后對(duì)關(guān)鍵區(qū)域已經(jīng)劃分的網(wǎng)格進(jìn)行單元細(xì)化.這里使用軟件默認(rèn)的20節(jié)點(diǎn)六面體單元(Solid 186)類型,機(jī)架網(wǎng)格模型如圖2所示.

圖2 機(jī)架網(wǎng)格模型

2．3 邊界條件

壓實(shí)樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際組裝時(shí),機(jī)架向下支撐著2個(gè)振動(dòng)輪,向上支撐電機(jī)和風(fēng)機(jī)等裝置.進(jìn)行靜力分析時(shí),將機(jī)架視為靜止?fàn)顟B(tài),此時(shí)與地面接觸的4個(gè)機(jī)架支撐板支撐著整個(gè)機(jī)架.因此,應(yīng)對(duì)機(jī)架4個(gè)支撐板底面采用Fixed Support模擬.

在實(shí)際工作時(shí),壓實(shí)樣機(jī)整個(gè)機(jī)架受力相對(duì)簡(jiǎn)單.忽略人對(duì)扶手的推力作用,整個(gè)機(jī)架分別承受著電機(jī)、風(fēng)機(jī)等裝置的重力作用以及2個(gè)振動(dòng)輪在某一瞬時(shí)的激振力作用.

對(duì)機(jī)架在最惡劣情況下的靜力特性進(jìn)行分析,此時(shí)激振力的最大值為2 550 N,電機(jī)、風(fēng)機(jī)等的重力分別為340、360、510 N.那么,上面支撐板在Y方向的受力分別為340、360、510 N.

在實(shí)際中,激振力在某一瞬時(shí)并不是單純地作用在一個(gè)點(diǎn)上,而是作用在支撐軸旋轉(zhuǎn)的平面上.因此,施加載荷時(shí)可將激振力視為均布載荷.設(shè)計(jì)中取支撐板圓孔的直徑分別為52 mm和110 mm,則

式中:P1為直徑為52 mm時(shí)的均布載荷(Pa);F1為直徑為52 mm時(shí)的激振力(N);S1為直徑為52 mm時(shí)的支撐板面積(m2);P2為直徑為110 mm時(shí)的均布載荷(Pa);F2為直徑為110 mm時(shí)的激振力(N);S2為直徑為110 mm時(shí)的支撐板面積(m2).

假設(shè)此瞬時(shí)激振力向下,則機(jī)架左支撐板和右支撐板在Y方向的受力分別為0.975 MPa和0.46 MPa.在Solution Information導(dǎo)航項(xiàng)中添加相關(guān)的求解結(jié)果選項(xiàng),然后進(jìn)行求解.

3 靜力學(xué)計(jì)算結(jié)果及分析評(píng)價(jià)

對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)靜力分析求解后,分析并評(píng)價(jià)其輸出結(jié)果.

3．1 位移分析評(píng)價(jià)

在靜載荷下機(jī)架各個(gè)部件出現(xiàn)變形在所難免,但如果在某些部位出現(xiàn)過(guò)大的變形則會(huì)使機(jī)器產(chǎn)生故障,降低工作效率.圖3為機(jī)架總變形.

圖3 機(jī)架總變形

由圖3可以看出,機(jī)架上支撐板由于承受電機(jī)等的重量,大部分區(qū)域產(chǎn)生變形.其中,深色區(qū)域?yàn)樽畲笞冃瘟?發(fā)生在靠近振動(dòng)側(cè),值為0.55 mm;向外呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì).出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因有2個(gè):一是振動(dòng)電機(jī)偏心放置,二是驅(qū)動(dòng)電機(jī)、風(fēng)機(jī)等的布置較為緊密.雖然產(chǎn)生變形的區(qū)域很大,但是變形量都較小,總體來(lái)說(shuō)對(duì)機(jī)架產(chǎn)生的影響不大.

3．2 應(yīng)力分析評(píng)價(jià)

應(yīng)力分布主要用來(lái)分析機(jī)架自身結(jié)構(gòu)的合理性,對(duì)機(jī)架應(yīng)力的分布情況進(jìn)行分析不僅可以為機(jī)架結(jié)構(gòu)的合理性提供理論支撐,而且為機(jī)架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供一定的依據(jù).圖4為機(jī)架等效應(yīng)力分布云圖.

從機(jī)架的應(yīng)力分布云圖可以看出,機(jī)架的等效應(yīng)力分布較為均勻,大部分區(qū)域在25 MPa以下.最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在上支撐板的4個(gè)角落,約為35 MPa.這幾個(gè)位置正是電機(jī)、風(fēng)機(jī)等與支撐板的螺栓聯(lián)接處,可見(jiàn)在這幾處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象.

壓實(shí)樣機(jī)機(jī)架的材料選用Q235鋼,其極限應(yīng)力為235 MPa.而由以上分析可知,機(jī)架失效危險(xiǎn)區(qū)應(yīng)力水平在35 MPa左右,遠(yuǎn)小于材料的極限應(yīng)力.因此,機(jī)架的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求.

圖4 等效應(yīng)力分布動(dòng)云圖

4 機(jī)架模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性——結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型.求固有頻率和固有振型就是求特征值和特征向量的問(wèn)題,所求特征值是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振型對(duì)應(yīng)的頻率,特征向量是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的振型.在機(jī)架設(shè)計(jì)、使用過(guò)程中要避免與外界激勵(lì)發(fā)生共振,以免造成機(jī)器的破壞.對(duì)機(jī)械系統(tǒng)建立有限元模型,采用動(dòng)力縮減技術(shù)后其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的有限元方程為

式中:M為構(gòu)件總質(zhì)量矩陣;K為構(gòu)件總剛度矩陣; C為構(gòu)件總阻尼系數(shù)矩陣;為強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)速度;為強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)加速度為模態(tài)速度;為模態(tài)加速度;fi為主動(dòng)力;Rs為反作用力.

求解式(1)可得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率、振型等結(jié)構(gòu)固有特征,以及位移、速度、加速度、應(yīng)力、應(yīng)變等動(dòng)力響應(yīng).通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元模型的模態(tài)分析確定結(jié)構(gòu)部件的頻率響應(yīng)和模態(tài),進(jìn)一步確定影響結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵模態(tài)頻率,并以此作為動(dòng)態(tài)優(yōu)化的重要目標(biāo)函數(shù).

在壓路機(jī)機(jī)架模態(tài)分析中,遵照靜態(tài)力分析下的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,得到機(jī)架前六階固有頻率,如表2所示,各階振型如圖5～10所示.

圖5為機(jī)架一階振型圖,固有頻率為47．466 Hz,主要表現(xiàn)形式為機(jī)架中上部Z向擺動(dòng),最大擺幅為4.6 mm.圖6為機(jī)架二階振型圖,固有頻率為83.496 Hz,主要表現(xiàn)形式為機(jī)架上支撐板Y方向擺動(dòng),最大擺幅約為14.8 mm.已知壓實(shí)樣機(jī)要求的工作頻率是10～25 Hz,小于機(jī)架的一階固有頻率,因此樣機(jī)在工作狀況下一般沒(méi)有共振的危險(xiǎn).

表2 機(jī)架前六階固有頻率

圖5 一階振型

圖6 二階振型

圖7 三階振型

圖8 四階振型

圖9 五階振型

圖10 六階振型

總體來(lái)講,樣機(jī)機(jī)架固有頻率分布較為密集.通過(guò)振型圖可以看出,機(jī)架下支撐板振幅偏大,是設(shè)計(jì)的薄弱部位.下支撐板支撐著上支撐板及電機(jī)、風(fēng)機(jī)等,因此需要適當(dāng)加強(qiáng)下支撐板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,保證電機(jī)等的工作穩(wěn)定性.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用ANSYS Workbench對(duì)樣機(jī)機(jī)架進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析,得到機(jī)架變形、應(yīng)力分布及機(jī)架的振動(dòng)特性.機(jī)架的靜力學(xué)分析表明,機(jī)架整體結(jié)構(gòu)比較合理,靜態(tài)載荷下機(jī)架各處位移都比較小,各處應(yīng)力均低于機(jī)架材料的屈服強(qiáng)度.模態(tài)分析表明,機(jī)架的最低階固有頻率為47．466 Hz,其余階固有頻率均大于60 Hz.機(jī)架的質(zhì)量分布較均衡,整體剛度較為合理.樣機(jī)工作頻率小于機(jī)架的固有頻率,因此不會(huì)發(fā)生共振,機(jī)架的設(shè)計(jì)具有一定的合理性.

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[責(zé)任編輯:王玉玲]

Design of Roller Frame Based on ANSYSSimulation and Optimization

L
I Peng-fei
(Department of Vehicle Engineering,Jiangsu Jiaotong College,Zhenjiang 212127,Jiangsu,China)

In order to rationalize the design of roller frame,thereby improving the work performance of the roller and the quality of roads,the static analysis and vibration modal analysis of the frame were carried out by means of ANSYS based on a prototype of hand-held roller,and the mechanical deformation was calculated．The results show that the displacement of the frame is small under static load,and the stress is lower than the yield strength of the frame;the lowest natural frequency of the frame is 47．466 Hz,and the remaining natural frequencies are higher than 60 Hz;the working frequency of the prototype is lower than the natural frequency of the frame,and no resonance occurs．The design of the frame is of rationality．

design of roller frame;static analysis;modal analysis;resonance

U415．521

B

1000-033X(2017)05-0094-04

2016-11-03

李鵬飛(1981-),男,黑龍江牡丹江人,講師,研究方向?yàn)檐囕v工程.