寧凡，于明，趙堅(jiān)，洪學(xué)武，劉海強(qiáng)，王志斌，劉聰

（天津城建大學(xué)a. 控制與機(jī)械工程學(xué)院；b.計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津300384）

0 引 言

平地機(jī)是借助車刀對地面進(jìn)行平整的土方機(jī)械，結(jié)構(gòu)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、工作裝置、電氣裝置、駕駛室和機(jī)罩等部分構(gòu)成[1]。前車架是平地機(jī)的重要部件，承受很大的質(zhì)量，平地機(jī)的安全舒適性受其性能好壞的影響[2]。平地機(jī)工作時(shí)，前車架要受到動(dòng)載荷的作用，當(dāng)外界激勵(lì)的頻率接近或等于固有頻率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共振，影響工作狀態(tài)甚至發(fā)生應(yīng)力破壞[3]，因此對車架進(jìn)行模態(tài)分析并找出薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化至關(guān)重要。

蔣壯[4]利用ANSYS軟件對平地機(jī)前車架進(jìn)行了有限元?jiǎng)澐?，并分三種工況進(jìn)行靜力學(xué)研究，得到了總位移云圖和應(yīng)力云圖，證明了平地機(jī)前車架結(jié)構(gòu)的合理性；顧婭欣、朱茂桃等[5]對平地機(jī)的機(jī)架進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，優(yōu)化后的機(jī)架在強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性與舒適度等方面表現(xiàn)得更好。

現(xiàn)如今只對平地機(jī)各零部件進(jìn)行靜態(tài)強(qiáng)度和剛度分析，已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求[6]。本文利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)并建立平地機(jī)前車架三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS中，基于ANSYS的模態(tài)分析模塊，對前車架進(jìn)行自由模態(tài)和約束模態(tài)分析，為平地機(jī)前車架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模態(tài)分析

平地機(jī)在工作狀態(tài)下不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，因此必須研究平地機(jī)各零部件的固有頻率及振型來確保平地機(jī)在工作過程中具備良好的工作性能。

平地機(jī)前車架有限元的模態(tài)分析是通過提取前車架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)得到其動(dòng)態(tài)特性。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，我們可以通過多種軟件對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析[6]。對于本文所分析的前車架結(jié)構(gòu)，通過ANSYS分析可以得到其固有頻率及各階振型。此外，前車架為金屬構(gòu)架，結(jié)構(gòu)阻尼小，對振型和固有頻率產(chǎn)生的作用非常小，因此可以忽略。

2 平地機(jī)前車架有限元模型

2.1 建立實(shí)體模型

為了降低模態(tài)分析的計(jì)算量，建模時(shí)對前車架的吊耳、車燈等細(xì)微結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，簡化后對前車架動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生的微小改變可忽略。利用SolidWorks軟件構(gòu)建平地機(jī)前車架的三維模型，如圖1所示。

2.2 建立有限元模型

圖1 前車架實(shí)體模型

將平地機(jī)前車架的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS中。前車架的材料為Q345低合金結(jié)構(gòu)鋼，幾乎不可壓縮，故選用體單元SOLID186單元來進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于前車架的前端與后端有螺紋孔，因此在螺紋孔的周圍需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為58 204，單元個(gè)數(shù)為37 879，建立有限元模型如圖2所示。材料參數(shù)如表1所示。

圖2 前車架有限元模型

3 平地機(jī)前車架模態(tài)分析

模態(tài)分析有自由模態(tài)和約束模態(tài)兩種。當(dāng)前車架在完全自由狀態(tài)下進(jìn)行的模態(tài)分析為自由模態(tài)，此時(shí)所得到的結(jié)果為前車架零件的固有特性。將前車架裝配到平地機(jī)上，此時(shí)得到的分析結(jié)果為約束模態(tài)分析。

表1 前車架材料參數(shù)

3.1 前車架自由模態(tài)分析

對平地機(jī)前車架進(jìn)行自由模態(tài)有限元分析時(shí)，不考慮任何激勵(lì)，也不施加任何約束，只需要關(guān)注低階頻率。根據(jù)求解結(jié)果可知，在關(guān)注的頻率段里有6階可以明顯地反映出前車架的振動(dòng)特性。平地機(jī)前車架在自由模態(tài)下前6階模態(tài)振型如圖3所示,分析結(jié)果如表2所示。

圖3 前車架自由模態(tài)前6階振型

根據(jù)圖3可以看出前車架各階振動(dòng)的方位及幅度：第1階模態(tài)前車架沿Z軸軸線做抓取運(yùn)動(dòng)；第2階模態(tài)前車架沿Z軸軸線做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第3階模態(tài)前車架后部沿X軸左右方向擺動(dòng)；第4階模態(tài)是前車架沿Z軸軸線做抓取運(yùn)動(dòng)，第5階模態(tài)是沿Z軸軸線做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第6階模態(tài)前車架沿Z軸軸線做蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

表2 自由模態(tài)下前6階模態(tài)計(jì)算結(jié)果

3.2 前車架約束模態(tài)分析

通過對前車架施加約束，模擬前車架與平地機(jī)裝配后的狀態(tài)，對前車架進(jìn)行約束模態(tài)分析。前車架前后兩端分別與前橋及后車架鉸接連接，添加約束后求解得到平地機(jī)前車架在約束模態(tài)下前6階模態(tài)分析結(jié)果如表3所示，振型如圖4所示。

表3 約束模態(tài)下前6階模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖4 前車架約束模態(tài)前6階振型

從模態(tài)振型圖4可以看出：第1階模態(tài)前車架沿Y軸上下擺動(dòng);第2階模態(tài)為前車架沿Z軸軸線做蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng);第3階模態(tài)是前車架沿Z軸軸線做蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng); 第4階模態(tài)是前車架前端做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第5階模態(tài)是前車架后端做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第6階模態(tài)為前車架沿Z軸軸線做蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié) 語

1）施加約束后，前車架的固有頻率明顯增加，尤其是在第1階模態(tài)，前車架除了約束部位，中間部分大范圍的上下擺動(dòng)，因此在后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)中還需要對平地機(jī)前車架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）通過查閱資料可知，平地機(jī)在工作狀態(tài)下發(fā)動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2300 r/min, 此時(shí)對應(yīng)的振動(dòng)頻率為38.3 Hz。通過分析計(jì)算，前車架在約束模態(tài)下的第1階固有頻率為57 Hz，此后固有頻率呈遞增關(guān)系，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于38.3 Hz，所以前車架的固有頻率成功避開了發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振破壞。

3）通過平地機(jī)前車架的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，從理論上找到了各階固有頻率和各階振型，為接下來平地機(jī)前車架的設(shè)計(jì)提供了較為全面的數(shù)據(jù)參考。