基于MSC.Patran的路燈桿的模態(tài)分析

曾齊高，羅 飛，李積彬

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學(xué)院，廣東深圳 518040；3.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060）

基于MSC.Patran的路燈桿的模態(tài)分析

曾齊高1，羅 飛2，李積彬3

（1.深圳市龍崗職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學(xué)院，廣東深圳 518040；3.深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院，廣東深圳 518060）

運(yùn)用Pro/Engineer軟件建立路燈桿的3D模型，并利用該模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其后使用MSC.Patran對(duì)導(dǎo)入的路燈桿模型進(jìn)行模態(tài)分析，根據(jù)分析結(jié)果，得出在安裝路燈桿時(shí)周圍設(shè)備的振動(dòng)頻率盡量避開(kāi)路燈桿的固有頻率，以免發(fā)生共振，從而保證路燈桿的使用安全性。

MSC.Patran；路燈桿；模態(tài)分析；共振

0 引言

有限元方法（Finite Element Methods）這個(gè)名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過(guò)對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來(lái)替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題[1]。

近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開(kāi)有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國(guó)防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍[2-3]。

有限元網(wǎng)格生成方法研究領(lǐng)域已取得許多重要成果，形成了獨(dú)特的方法論體系，提出了許多有效的算法并研制出一些成功的工程化軟件產(chǎn)品，現(xiàn)在用得比較多的軟件主要有ANSYS、MSC. Patran和Deform等。而本文就是利用MSC.Patran對(duì)路燈桿進(jìn)行模態(tài)分析。

1 路燈桿的基本參數(shù)及建模

路燈桿的材料是鍍鋅的合金鋼，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)[4]查得此材料的一些基本參數(shù)如表1所示。

表1 材料特性表

由于路燈桿不易進(jìn)行直接測(cè)量，所以在午后通過(guò)陽(yáng)光投影法可測(cè)得路燈桿的幾何尺寸如下：底座：300 mm×300 mm×10 mm、主桿下段外徑D1：160 mm 長(zhǎng)度L1:2 000 mm，壁厚b:5 mm、主桿上段外徑 D2:90 mm長(zhǎng)度 L2:5 890 mm ，壁厚b:5 mm、反光罩簡(jiǎn)化為一等腰梯形，上底：760 mm ；下底：1 100 mm ； 高 ：1 180 mm。根據(jù)以上數(shù)據(jù)并利用Pro/ ENGINEER Wild?fire 3.0對(duì)路燈桿進(jìn)行3D實(shí)體建模，結(jié)果如圖1所示。

圖1 路燈桿的3D圖

但是由于MSC.Patran軟件中的需要的是.stp格式的文件，而Pro/ENGINEER Wildfire 3.0所生成的是.prt格式的文件，所以要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即把.prt格式文件轉(zhuǎn)化成.stp格式文件的，輸出step文件時(shí)選擇實(shí)體和殼，點(diǎn)擊確定即可。

2 有限元分析過(guò)程

在本文中，首先運(yùn)用Pro/Engineer建立3D模型，再用MSC.Patran軟件進(jìn)行FEM分析，求解出固有頻率和其相應(yīng)的振型[5]，具體步驟如圖2所示。

圖2 FEM分析步驟

（1）MSC建模

在進(jìn)行FEM分析之前，首先需要新建一個(gè)MSC分析文件，其新建文件及文件導(dǎo)入步驟為：New Database→File→Import，輸入文件名即可。

（2）網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是有限元分析中的一個(gè)重要的步驟，MSC軟件中有自動(dòng)劃分網(wǎng)格的功能，選擇MESH→SOLID，然后選擇輸入實(shí)體名稱，再確定網(wǎng)格大小即可。

（3）邊界條件設(shè)置

網(wǎng)格劃分結(jié)束后，就是對(duì)待分析的零件進(jìn)行邊界條件設(shè)置，其中邊界條件包括邊界運(yùn)動(dòng)，邊界載荷，邊界溫度等設(shè)置，本次分析只需對(duì)邊界運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以及固定邊界，以及受力等進(jìn)行設(shè)置。

若對(duì)零件進(jìn)行不同的狀態(tài)分析，則要對(duì)邊界受力進(jìn)行設(shè)置，模態(tài)分析則不需要設(shè)置力的邊界條件。而靜應(yīng)力分析，以及壓桿穩(wěn)定性分析則需要對(duì)力進(jìn)行設(shè)置。

（4）材料參數(shù)設(shè)置

邊界條件設(shè)置完成后則需對(duì)零件材料進(jìn)行設(shè)置，由于路燈桿的材料選用為鍍鋅的合金鋼，點(diǎn)擊Input Options輸入表1中材料特性參數(shù)。

（5）路燈桿的材料特性選擇

剛才所設(shè)置的材料特性要賦予路燈桿，點(diǎn)擊Input Properties將材料特性賦予路燈桿。

（6）分析計(jì)算

MSC.Patran軟件可以靜應(yīng)力分析（LINEAR STATIC），壓桿穩(wěn)定性（BUCKLING），模態(tài)分析（NORMAL MODES）等有限元?jiǎng)討B(tài)性能分析，本文只對(duì)路燈桿進(jìn)行模態(tài)分析（NORMAL MODES）。不同分析選擇下面對(duì)話框中不同選項(xiàng)。

（7）模態(tài)分析結(jié)果

在不同的頻率下的模態(tài)結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，路燈的前7階模態(tài)的頻率為1.124 6 Hz、1.126 3 Hz、6.533 Hz、8.830 1 Hz、11.056 Hz、20.707 Hz、22.788 Hz，前2階模態(tài)比較接近，3—5比較接近，6和7階模態(tài)較接近。前7階段模態(tài)對(duì)應(yīng)的振形主要是路燈部分發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，其中前2階主要是燈頭發(fā)生擺動(dòng)，3-7階不但是燈頭發(fā)生擺動(dòng)，同時(shí)燈桿也發(fā)生彎曲擺動(dòng)。交流電的工頻為50 Hz，而路燈的前7階模態(tài)遠(yuǎn)離其交流電工頻，避免了電流引起的振動(dòng)。

圖3

3 結(jié)論

有限元分析方法（FEM）作為一個(gè)對(duì)產(chǎn)品的預(yù)先處理方法，現(xiàn)已廣泛被用于工程設(shè)計(jì)以及制造中，本文利用MSC.Patran對(duì)路燈桿進(jìn)行模態(tài)分析，得到了路燈桿的七種模態(tài)，路燈桿的固有頻率為1.124 6 Hz表現(xiàn)為水平彎曲，固有頻率為1.126 3 Hz表現(xiàn)為垂直彎曲，固有頻率為8.830 1 Hz表現(xiàn)為扭曲。根據(jù)該模態(tài)分析結(jié)果：

（1）前7階模態(tài)遠(yuǎn)離工頻，保證在通電情況下避免發(fā)生共振。

（2）在安裝路燈桿時(shí)周圍設(shè)備的振動(dòng)頻率盡量避開(kāi)路燈桿的固有頻率，以免發(fā)生共振，從而路燈桿的使用安全性。

［1］李積彬，馮平.計(jì)算機(jī)輔助工程：CAE有限元分析篇［Z］.深圳：深圳大學(xué)，2005.

［2］羅飛，曾齊高，陳恒亮，等.基于Pro/Mechanica的電梯曳引機(jī)承重梁的模態(tài)分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2014（02）：57-60，101.

［3］謝占功，李積彬，羅飛，等.深海潛水泵軸系的有限元分析研究［A］.2009海峽兩岸機(jī)械科技論壇論文集［C］.2009：476-481.

［4］毛謙德，李振清.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［5］宋雷，邵明，王春艷.基于MSC.Patran的粉末成形模架模態(tài)分析［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2008（02）：46-47.

Modal Analysis of Lampposts Based on MSC.Patran

ZENG Qi-gao1，LUO Fei2，LI Ji-bin3
（1.Shenzhen Longgang Vocational Technical School，Shenzhen518172，China；2.Shenzhen Institute of Technology，Shenzhen518040，China；3.College of Mechatronics and Control Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

In this paper，Pro/Engineer software was used to build the 3D model of lampposts，and use the model for data conversion，and MSC.Patran was used to modal analysis of lampposts after importing model.Based on the analysis results，obtained when installing lampposts around vibration frequency devices try to avoid the natural frequency of light poles to avoid resonance，and thus the use of lampposts security.

MSC.Patran；lampposts；modal Analysis；resonance

TP391.77

A

1009－9492(2014)05－0106－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.027

曾齊高，男，1984年生，江西廣豐人，碩士研究生，工程師/高級(jí)技師。研究領(lǐng)域：機(jī)電一體化。已發(fā)表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－03－20