李加剛

摘 要

支撐臺是某大型實(shí)驗(yàn)裝置的重要組成部分，其靜動態(tài)特性指標(biāo)參數(shù)直接影響著該實(shí)驗(yàn)裝置的工作可靠性。本文以該實(shí)驗(yàn)裝置的支撐臺金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，基于有限元法，借助ANSYS軟件對其開展靜、動態(tài)特性分析。通過分析得出，該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下，絕大部分區(qū)域承受的最大工作應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力。該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)固有頻率值分別為：32.377、32.377、51.58、73.003、142.78、142.78 Hz。

關(guān)鍵詞

支撐臺金屬結(jié)構(gòu);靜態(tài)特性;動態(tài)特性;模態(tài)分析;有限元法

中圖分類號： TH21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.047

0 引言

支撐臺是某大型實(shí)驗(yàn)裝置的重要組成部分，主要起支撐其他重要部件的作用，在工作時，支撐臺主要承受上方重物引起的垂向載荷。在垂向載荷作用下，支撐臺會出現(xiàn)一定程度的變形，當(dāng)變形較大時會影響臺面的使用性能，同時，由于加工精度、安裝誤差等原因，支撐臺會承受來自各個方向的隨機(jī)振動，當(dāng)外界振動載荷的頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時就會引發(fā)共振，嚴(yán)重影響實(shí)驗(yàn)裝置的工作精度。因此，在進(jìn)行支撐臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時非常有必要對其靜動態(tài)特性進(jìn)行深入的分析。在以往的各類機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相關(guān)的工程研究人員都開展過類似的分析，并取得了一系列有益的成果。趙文濤等人[1]為了獲取了結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，對某門式起重機(jī)的動態(tài)特性進(jìn)行了分析。朱濤[2]在結(jié)構(gòu)特性分析基礎(chǔ)上利用軟件對某橋式起重機(jī)主梁進(jìn)行了優(yōu)化。王帥等人[3]借助大型通用有限元軟件ANSYS對某立柱式吊車金屬結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度、靜態(tài)變形、抗傾覆穩(wěn)定性等靜態(tài)特性指標(biāo)進(jìn)行分析。李禮夫等人[4]提出了基于靜動態(tài)特性的校車底盤車架結(jié)構(gòu)多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用Hyper Works軟件對底盤車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化。劉傳進(jìn)等人[5]利用ANSYS Workbench軟件對某高速龍門加工中心立柱的靜態(tài)與動特性進(jìn)行了分析。盧正偉[6]借助有限元法對某滑動軸承座得到靜動態(tài)特性進(jìn)行了分析，獲取了結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖、位移云圖、固有頻率及五階振型。閻力等人[7]以某賽車車架為研究對象，對其進(jìn)行多工況下的靜態(tài)結(jié)構(gòu)與自由模態(tài)分析。鄭雷等人[8]利用Ansys軟件對某收割機(jī)底盤車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了限元分析，獲得了滿載彎曲、滿載扭曲等四種工況下的整體鋼強(qiáng)度特性。本文以某大型實(shí)驗(yàn)裝置的支撐臺金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，利用有限元軟件ansys，對其靜、動態(tài)特性進(jìn)行分析，獲取其靜強(qiáng)度、靜剛度、固有頻率及振型等指標(biāo)參數(shù)，分析結(jié)果為該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論參考。

1 支撐臺金屬結(jié)構(gòu)有限元模型

該支撐臺為某大型實(shí)驗(yàn)裝置的重要組成部分，其材料為Q460，密度為7.85×10-6kg/mm3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強(qiáng)度為345MPa，進(jìn)行強(qiáng)度校核時，取安全系數(shù)1.34，則該材料的許用應(yīng)力為343MPa。

在分析前，先在有限元軟件ANSYS中建立該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的有限元模型。建模時，為了提高分析效率，在不影響計(jì)算精度的前提下忽略了支撐臺上的倒角、螺紋連接等結(jié)構(gòu)。實(shí)體模型建立后，采用solid45實(shí)體單元來模擬，整個支撐臺實(shí)體結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，因此采用映射方式對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個模型被離散為1625個單元，2256個節(jié)點(diǎn)。離散后的支撐臺金屬結(jié)構(gòu)有限元模型如圖1所示。

2 支撐臺金屬結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析結(jié)果

在建立支撐臺金屬結(jié)構(gòu)有限元模型后，按照實(shí)際工作狀態(tài)對其進(jìn)行約束和加載。支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的約束條件如下：支撐臺支腿部分固定安裝在地面上，故將所有支腿底部節(jié)點(diǎn)全約束。支撐臺工作時，主要通過臺面承受來自上方的重量，因此，計(jì)算時，將上方物體的重量以均布載荷的方式加載至臺面，通過計(jì)算得出該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下的工作應(yīng)力（如圖2所示），圖3給出了支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下的變形云圖。

從圖2可以看出，該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下，最大應(yīng)力發(fā)生在支腿和臺面連接位置，最大應(yīng)力值約為785MPa，其值超過了材料的許用應(yīng)力值，該區(qū)域產(chǎn)生較大應(yīng)力主要是由應(yīng)力集中現(xiàn)象造成，除去該應(yīng)力集中區(qū)域，結(jié)構(gòu)其他部分應(yīng)力最大值約為300MPa，小于材料許用應(yīng)力，因此，根據(jù)強(qiáng)度校核條件，可以認(rèn)為該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是符合使用要求，只是需要在支腿和臺面連接處進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)。

3 模態(tài)分析結(jié)果

基于有限元法的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析類型有很多，應(yīng)用比較廣泛的有模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析等，其中，模態(tài)分析主要用于求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它是開展其他類型動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。

本文利用蘭斯索斯法[9]對該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，來獲取該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)振型?？紤]到對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性影響較大的是低階模態(tài)，而高階模態(tài)對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響相對較小，為了提高分析效率，本文在分析時定義模態(tài)提取及擴(kuò)展階數(shù)為六階。表1給出了該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率值，對應(yīng)的各階振型如圖4所示。

從圖4可以看出，該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的各階振型表現(xiàn)如下：第一階振型主要為支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在YZ平面內(nèi)的擺動，第二階振型主要為結(jié)構(gòu)在XY平面內(nèi)的擺動，第三階振型主要為主梁在XZ平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)，第四階振型主要為結(jié)構(gòu)的一階彎曲振動，第五階振型和第六階振型主要為結(jié)構(gòu)的二階彎曲。

4 結(jié)論

本文以某大型實(shí)驗(yàn)裝置的支撐臺金屬結(jié)構(gòu)為研究對象，利用有限元軟件ANSYS對該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的靜、動態(tài)特性進(jìn)行了分析，得到了該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下的工作應(yīng)力、模態(tài)固有頻率及振型等特性參數(shù)。通過分析得出如下主要結(jié)論。

（1）除去支腿和臺面連接處的應(yīng)力集中區(qū)域，該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下的最大工作應(yīng)力值在300 MPa左右，小于材料的許用應(yīng)力。

（2）該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)在約束狀態(tài)下的前六階固有頻率分別為32.377、32.377、51.58、73.003、142.78、142.78 Hz，對應(yīng)的模態(tài)振型表現(xiàn)為：第1和第2階振型主要為該支撐臺金屬結(jié)構(gòu)的擺動振型，第3階振型主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振型，第4階振型主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的一階彎曲振型，第5和第6階振型主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的二階彎曲振型。

參考文獻(xiàn)

[1]趙文濤，余峰，吳畏，等.基于ANSYS的門機(jī)金屬結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)特性分析[J].機(jī)械，2018，45（4）：27-31.

[2]朱濤.基于幾何參數(shù)的橋式起重機(jī)主梁優(yōu)化[J].重型機(jī)械，2018（5）：70-73.

[3]王帥，張曉玉，趙文濤，等.基于有限元法的立柱式吊車結(jié)構(gòu)靜態(tài)特性分析[J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用，2019（2）：29-31.

[4]李禮夫，許樹龍.校車底盤車架結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2016（5）：9-13.

[5]劉傳進(jìn)，郭永海.高速龍門加工中心立柱靜態(tài)設(shè)計(jì)與動特性分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2015（4）：1-5.

[6]盧正偉.基于有限元法的滑動軸承座靜動態(tài)特性分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014（1）：33-35+38.

[7]閻力，史青錄，連晉毅.FSC賽車車架的靜態(tài)結(jié)構(gòu)與模態(tài)分析[J].太原科技大學(xué)學(xué)報，2017（2）：98-103.

[8]鄭雷，周海，曾勇，等.某履帶式收割機(jī)底盤車架靜態(tài)分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017（3）：228-232.

[9]張朝暉.ANSYS 12.0結(jié)構(gòu)分析工程應(yīng)用實(shí)例解析[M].3版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.