基于PRO/E和NASTRAN的裝載機(jī)工作裝置模態(tài)分析

王桂梅,李鳳玲,張 平,彭月猛

（河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院,河北邯鄲 056038）

裝載機(jī)經(jīng)常會(huì)在條件惡劣的環(huán)境下工作,振動(dòng)難以避免,尤其是裝載機(jī)的重要部件,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致零部件的破壞,影響了裝載機(jī)的正常工作。在以往的設(shè)計(jì)中大部分還是按照靜強(qiáng)度和靜剛度來(lái)計(jì)算校核的,即使考慮了動(dòng)態(tài)載荷也存在一定的問(wèn)題,結(jié)構(gòu)建模存在很多假設(shè)因素,無(wú)法對(duì)裝載機(jī)在工作過(guò)程中受到的動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行準(zhǔn)確驗(yàn)證,嚴(yán)重影響了裝載機(jī)的工作穩(wěn)定性和工作人員的操縱舒適性,大大降低了工作效率。

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及設(shè)備故障診斷的重要方法,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析及疲勞分析等優(yōu)化分析都是以模態(tài)分析為基礎(chǔ)的。本文首先利用PROE建立裝載機(jī)工作裝置三維虛擬模型,通過(guò)PRO/E和PATRAN的接口導(dǎo)入有限元軟件PATRAN中,建立了比較符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析,為產(chǎn)品試制和新產(chǎn)品的改進(jìn)提供基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基本內(nèi)容,阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的影響都不大,因此采用無(wú)阻尼的自由振動(dòng)來(lái)求解振動(dòng)頻率和振型,進(jìn)行模態(tài)分析。公式如下:

式中[M]—總質(zhì)量矩陣;[K]—總體剛度矩陣;{u}—位移;w—反應(yīng)振動(dòng)頻率;{φ}—振型。

由式（1-3）得

對(duì)于每一個(gè)特征值wi都有一個(gè)特征向量{φi}滿足上式,每一個(gè)特征值和特征向量決定結(jié)構(gòu)的一種自由振動(dòng)形式,設(shè)fi為第 i個(gè)固有頻率,則:

2 模型的建立

采用PRO/E對(duì)裝載機(jī)建立包括鏟斗、動(dòng)臂、連桿、搖臂、轉(zhuǎn)斗缸、舉升缸和工作裝置支架在內(nèi)的工作裝置虛擬樣機(jī)模型,如圖1所示。

3 模態(tài)分析

3.1 模型參數(shù)

進(jìn)行模態(tài)分析所需材料密度,彈性模量,泊松比等相關(guān)參數(shù)具體值,見(jiàn)表1。

表1 16Mn材料屬性Tab.1 16Mn Material properties

3.2 分析流程

3.3 模態(tài)分析

一般來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以表示為各階固有陣型的線性疊加,其中較低階的振型對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響程度要高于高階振型,因此低階振型決定了結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。根據(jù)所建立的裝載機(jī)工作裝置動(dòng)力學(xué)模型,利用NASTRAN對(duì)裝載機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析,提取模態(tài)（圖3）。

由圖3可以看出,第1階模態(tài)是連桿的扭轉(zhuǎn)彎曲振動(dòng),振動(dòng)頻率完全不在其工作范圍之內(nèi),發(fā)生共振的可能性很小;第2階、4階和7階模態(tài)主要是動(dòng)臂的扭轉(zhuǎn)振型,由于動(dòng)臂的振動(dòng)范圍變化比較大,極易發(fā)生共振,造成構(gòu)件的提前破壞,設(shè)計(jì)者可在設(shè)計(jì)階段通過(guò)改變材料,加厚動(dòng)臂,添加加強(qiáng)板等措施提高它的剛度;第3階和第8階模態(tài)主要是鏟斗的扭曲變形,鏟斗是裝載機(jī)的直接執(zhí)行裝置,動(dòng)態(tài)特性影響著整個(gè)裝載機(jī)的動(dòng)態(tài)特性,設(shè)計(jì)者可以通過(guò)改變鏟邊坡度,加厚加強(qiáng)板等措施改善此情況。

4 結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)觀察裝載機(jī)工作裝置各階振型和變形形態(tài)動(dòng)畫,可以清晰地看出裝載機(jī)在各階模態(tài)下的變形情況,找出薄弱環(huán)節(jié)和在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有待改進(jìn)的地方,為裝載機(jī)初級(jí)階段設(shè)計(jì)提出了有利依據(jù)。

2）模態(tài)分析是許多動(dòng)力響應(yīng)分析的基礎(chǔ),固有頻率和振型可直接用于模態(tài)頻率響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析中,可以了解結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及和整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)特性,從而為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。

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