基于ANASY的CT方艙有限元建模與模態(tài)分析

白 松，于寶國(guó)，范 斌，丁 輝，張永忠，樊毫軍，侯世科

基于ANASY的CT方艙有限元建模與模態(tài)分析

白 松，于寶國(guó)，范 斌，丁 輝，張永忠，樊毫軍，侯世科

目的：利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)CT方艙結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，為方艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo)。方法：利用ANSYS有限元分析平臺(tái)，以CAD模型為基礎(chǔ)，建立CT方艙的結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析并研究方艙結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)果：方艙結(jié)構(gòu)模態(tài)避開了底盤系統(tǒng)的固有頻率，避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生整體共振；第3階和第4階模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率接近，容易發(fā)生共振；路面不平度激勵(lì)頻率覆蓋了艙體前6階模態(tài)頻率，建議進(jìn)一步對(duì)CT設(shè)備支架采取減振措施。結(jié)論：基于有限元基本理論，利用現(xiàn)有的軟件平臺(tái)，可以對(duì)方艙艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模態(tài)分析，分析結(jié)果可以為今后方艙結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改善動(dòng)力學(xué)特性提供重要依據(jù)。

有限元法；CT方艙；模態(tài)分析；動(dòng)力學(xué)特性

0 引言

基于有限元仿真的模態(tài)分析實(shí)際上是近似求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)微分方程特征值的過程[1]。通過建立振動(dòng)結(jié)構(gòu)的參數(shù)模型（物理參數(shù)模型、模態(tài)參數(shù)模型和非參數(shù)模型），采用包括最小二乘法在內(nèi)的多種近似方法進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，進(jìn)而求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、故障診斷和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段[2-5]。

本文的研究對(duì)象CT方艙是方艙醫(yī)院系統(tǒng)的組成部分，艙內(nèi)安裝了一套雙排螺旋CT[6-7]。由于CT是高精密設(shè)備，其部件，如球管、線路板等，對(duì)振動(dòng)和沖擊比較敏感，因此要求方艙結(jié)構(gòu)在運(yùn)輸過程中要具有良好的動(dòng)力學(xué)性能。本文建立CT方艙結(jié)構(gòu)的有限元模型，并對(duì)該模型進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了模態(tài)頻率和模態(tài)振型。通過對(duì)方艙結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析，為優(yōu)化方艙結(jié)構(gòu)、改善動(dòng)力學(xué)特性提供了參考依據(jù)。

1 有限元建模

1.1 方艙結(jié)構(gòu)描述

CT方艙為標(biāo)準(zhǔn)6 m雙側(cè)擴(kuò)展方艙，具有自裝卸功能；方艙采用手動(dòng)推拉翻板的擴(kuò)展方式，具有擴(kuò)展機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、展收時(shí)間較短、密封性好等特點(diǎn)。CT方艙收攏狀態(tài)和擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的CAD模型如圖1所示。尺寸參數(shù)詳見表1。

圖1 CT方艙的CAD模型

表1 雙側(cè)擴(kuò)展方艙尺寸參數(shù)

方艙艙體大板是“三明治”夾層板殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)外2層為3 mm厚的鋁板，層芯為矩形鋁型材和硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，其中矩形鋁型材作為層芯的骨架。大板整體采用高強(qiáng)度黏結(jié)劑高溫加壓黏結(jié)而成，其截面圖如圖2所示。夾層板之間通過鉚接連接，內(nèi)外層鋁板與層芯通過黏結(jié)劑緊密連接，互相傳遞應(yīng)力，其中，彎矩和扭矩主要由鋁型材骨架承載，內(nèi)外2層鋁板主要承載橫向剪切應(yīng)力，艙體結(jié)構(gòu)具有整體力學(xué)性能。因此，本文將艙體大板近似為支架面板，作為整體結(jié)構(gòu)來研究。

圖2 方艙大板的截面圖

1.2 有限元模型建立

利用ANSYS軟件的幾何建模功能，按照實(shí)際形狀和尺寸，采用自下而上的方法（依次生成點(diǎn)、線、面、體）建立艙體的幾何模型，對(duì)幾何模型劃分網(wǎng)格，得到結(jié)構(gòu)有限元模型。艙體的幾何模型與原始CAD模型保持一致，同時(shí)根據(jù)有限元的計(jì)算要求，進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化。忽略了較小的倒角、倒圓和一些對(duì)力學(xué)結(jié)構(gòu)影響較小的工藝結(jié)構(gòu)。

本文將艙體大板作為整體結(jié)構(gòu)來研究，“三明治”夾層板可作為連續(xù)層處理，同時(shí)每一層的截面厚度、材料屬性均不同，因此采用四節(jié)點(diǎn)三維殼單元（shell181）定義大板網(wǎng)格，將殼單元分為3層，內(nèi)外層定義為3 mm鋁板，中間層定義為聚氨酯泡沫板，單元截面屬性如圖3所示?？紤]到艙體大板的層芯是由骨架和泡沫板組成，兩者的力學(xué)特性不同，因此層芯不能簡(jiǎn)單地等效為均質(zhì)材料。在建模過程中將鋁型材骨架單獨(dú)劃分網(wǎng)格，采用可定義截面類型及幾何參數(shù)的兩節(jié)點(diǎn)三維梁?jiǎn)卧╞eam188）來定義，單元截面特性如圖4所示。由于本文主要考慮方艙在收攏狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，而收攏狀態(tài)下方艙的翻板等擴(kuò)展機(jī)構(gòu)均與艙體緊密結(jié)合并鎖死，因此，在建模過程中，將艙體的擴(kuò)展機(jī)構(gòu)與艙體之間視為剛性連接。結(jié)構(gòu)中存在的鉚接、焊接以及螺栓等連接均處理成剛性連接。

通過增加網(wǎng)格單元數(shù)量可提高有限元計(jì)算的精度，但是當(dāng)單元數(shù)量增加到一定程度后，精度提高甚微，因此本文通過對(duì)比前后2次計(jì)算結(jié)果的差別，確定了滿足精度要求和經(jīng)濟(jì)性的網(wǎng)格單元數(shù)量。最終確定艙體的結(jié)構(gòu)有限元模型由3 585個(gè)三維殼單元和1 150個(gè)三維梁?jiǎn)卧M成，如圖5所示。

圖3 多層殼單元形狀圖

圖4 梁?jiǎn)卧孛鎴D

圖5 艙體的結(jié)構(gòu)有限元模型

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析結(jié)果

采用適用于殼體模型的分塊Lanczos法對(duì)艙體結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行模態(tài)提取。在無約束情況下，前6項(xiàng)計(jì)算結(jié)果為結(jié)構(gòu)的剛體位移，應(yīng)忽略。艙體結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)見表2。前6階模態(tài)振型如圖6所示。

表2 前6階模態(tài)計(jì)算結(jié)果

圖6 前6階模態(tài)振型圖

從表2和圖6可以看出，艙體的前3階模態(tài)為整體模態(tài)，模態(tài)頻率在13～22 Hz范圍內(nèi)均勻分布，模態(tài)振型主要表現(xiàn)為艙體結(jié)構(gòu)的整體扭轉(zhuǎn)和彎曲。其中，第1階模態(tài)為整體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，該振型會(huì)造成艙體結(jié)構(gòu)4個(gè)角點(diǎn)處彈性變形增大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致艙體大板的局部損害。第2階和第3階模態(tài)振型為整體彎曲振動(dòng)，兩側(cè)板和骨架梁產(chǎn)生較大的彎曲變形，而且在較為接近的頻率范圍內(nèi)出現(xiàn)了2次彎曲振型，表明艙體大板的骨架剛度不足，如果內(nèi)外部激勵(lì)頻繁激發(fā)這兩階模態(tài)，會(huì)導(dǎo)致兩側(cè)板和骨架梁的疲勞損壞。第4、5、6階模態(tài)振型為艙體結(jié)構(gòu)的局部振動(dòng)，主要表現(xiàn)為側(cè)壁、頂板、前壁的組合變形。局部模態(tài)對(duì)整體結(jié)構(gòu)振動(dòng)貢獻(xiàn)較小，不會(huì)造成嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損害。局部模態(tài)振型表明，艙體大板結(jié)構(gòu)存在一些薄弱環(huán)節(jié)，大面積的薄板結(jié)構(gòu)造成部分地方結(jié)構(gòu)剛度不足，振幅較大的地方容易出現(xiàn)局部損害，可適當(dāng)在這些位置安裝加強(qiáng)筋以提高結(jié)構(gòu)剛度。

總體來說，艙體結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)分布在13～30 Hz頻率范圍，整體模態(tài)主要是前3階，振型以整體扭轉(zhuǎn)和彎曲振動(dòng)為主，局部模態(tài)表現(xiàn)為艙體大板的局部振動(dòng)。艙體骨架和大板部分位置的剛度不足，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

機(jī)械結(jié)構(gòu)在激勵(lì)作用下的振動(dòng)實(shí)際上是各階模態(tài)按一定比例（模態(tài)參與因子）相互疊加的結(jié)果[8]。對(duì)于汽車來說，低階整體模態(tài)的參與因子要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他模態(tài)，是車輛振動(dòng)的主要因素[9]。本文著重對(duì)艙體結(jié)構(gòu)的前6階模態(tài)進(jìn)行分析。

根據(jù)振動(dòng)理論，艙體結(jié)構(gòu)的低階整體模態(tài)頻率要避開激勵(lì)頻率以及與艙體連接的汽車其他子系統(tǒng)的固有頻率，否則艙體會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)共振。車輛在行駛過程中受到內(nèi)外多種激勵(lì)作用，其中對(duì)振動(dòng)影響較大的主要有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、路面不平度、車輪不平衡激勵(lì)以及傳動(dòng)軸激勵(lì)。與艙體連接的是底盤系統(tǒng)，該車型底盤系統(tǒng)屬于二類底盤，包括了車架、懸架、傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)等多種部件，整體固有頻率難以獲取，因此本文主要考慮車架-懸架的固有頻率對(duì)艙體機(jī)構(gòu)振動(dòng)的影響。

根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果，對(duì)艙體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性分析如下：

（1）根據(jù)該二類底盤的技術(shù)資料，車架-懸架的共振頻率為2～3.5 Hz。艙體結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)頻率遠(yuǎn)大于共振頻率，避開了底盤系統(tǒng)的固有頻率。

（2）該車型采用直列四缸發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)主要是二階往復(fù)慣性力。怠速時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速700r/min（激振頻率（23.3±1.67）Hz），勻速行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速3 000 r/min（激振頻率（100±1.67）Hz）。可以看出，車輛勻速行駛時(shí)，艙體結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)頻率已避開發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)共振；但是在怠速時(shí)，第3階和第4階模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)激振頻率較為接近，容易發(fā)生共振，既有整體彎曲振動(dòng)，也存在前后壁板的局部振動(dòng)。

（3）車輪不平衡激勵(lì)頻率一般低于11 Hz，傳動(dòng)軸激勵(lì)頻率一般在40 Hz以上，艙體結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)頻率已避開這2種激勵(lì)的頻率范圍，且激勵(lì)能量較小，對(duì)車輛整體振動(dòng)影響不大。

（4）根據(jù)我國(guó)路面不平度分類標(biāo)準(zhǔn)[10]，在車速36～108 km/h時(shí)，路面不平度激勵(lì)的能量主要分布在28.3 Hz以內(nèi)的頻率范圍，對(duì)車輛低頻振動(dòng)影響較大?？梢钥吹?，艙體結(jié)構(gòu)前6階模態(tài)頻率均在此頻率范圍內(nèi)，容易產(chǎn)生共振。同時(shí)，該型CT方艙車輛需要執(zhí)行多樣化衛(wèi)勤任務(wù)，面對(duì)的路況較為復(fù)雜。特別是野外遂行機(jī)動(dòng)時(shí)，可能會(huì)遇到起伏路、坑、溝等路況，此時(shí)路面不平度位移幅值也會(huì)大幅增大，同時(shí)激勵(lì)成分不僅包括隨機(jī)振動(dòng)激勵(lì)，還可能存在沖擊激勵(lì)，對(duì)方艙結(jié)構(gòu)振動(dòng)造成較大的影響。

經(jīng)上述分析可以看出，方艙結(jié)構(gòu)模態(tài)避開了底盤系統(tǒng)的固有頻率；對(duì)振動(dòng)影響較大的主要是發(fā)動(dòng)機(jī)激勵(lì)和路面不平度激勵(lì)，其中發(fā)動(dòng)機(jī)怠速時(shí)會(huì)引發(fā)艙體整體彎曲振動(dòng)和局部振動(dòng)，路面不平度激勵(lì)頻率覆蓋了艙體前6階模態(tài)頻率，極易引發(fā)艙體共振。對(duì)于艙內(nèi)CT設(shè)備減振，僅通過優(yōu)化艙體結(jié)構(gòu)

（????）（????）設(shè)計(jì)無法完全避開上述激勵(lì)的影響，建議對(duì)CT設(shè)備的支架進(jìn)一步采取減振措施。

3 結(jié)論

本文基于ANSYS有限元分析平臺(tái)，建立了CT方艙的結(jié)構(gòu)有限元模型和模態(tài)分析，得到了方艙結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率和模態(tài)振型。通過與車輛底盤系統(tǒng)固有頻率以及內(nèi)外部激勵(lì)頻率的對(duì)比，分析了方艙結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性。結(jié)果表明方艙結(jié)構(gòu)模態(tài)避開了底盤系統(tǒng)的固有頻率，避免了結(jié)構(gòu)發(fā)生整體共振；第3階和第4階模態(tài)頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率接近，容易發(fā)生共振；路面不平度激勵(lì)頻率覆蓋了艙體前6階模態(tài)頻率，建議進(jìn)一步對(duì)CT設(shè)備支架采取減振措施。有限元建模方法及模態(tài)分析結(jié)果可以為今后優(yōu)化方艙結(jié)構(gòu)、改善動(dòng)力學(xué)特性提供依據(jù)。

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（收稿：2015-03-05 修回：2015-06-12）

Finite element model and modal analysis of CT shelter based on ANSYS

BAI Song,YU Bao-guo,FAN Bin,DING Hui,ZHANG Yong-zhong,FAN Hao-jun,HOU Shi-ke
（Institute for Disaster&Emergency Rescue Medicine,Affiliated Hospital of Logistics University of CAPF,Tianjin 300162,China）

ObjectiveTo perform modal analysis of CT shelter by applying computer simulation technology so as to provide theoretical guidance for CT shelter structure optimization.MethodsBased on CAD model,the finite element model of a CT shelter was established with ANSYS simulation platform.Through modal analysis,different-order modal frequency and modal shape of the shelter were computed and the kinetic characteristics were evaluated.ResultsLow order modal frequency was kept away from the natural frequency range of chassis system resonance to avoid the overall structure resonance;the 3rd and the 4th modal frequency and engine idle speed frequency were very close so that local resonance might occur;road roughness excitation frequency covered the first 6 order modal frequencies and the further vibration-reducing measures of CT equipment were suggested.ConclusionBased on the theories of finite element method and current software platform,modal analysis of shelter structure can be simulated and the results can provide valuable data for the improvement of kinetic characteristics and structure design.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（9）：14-16，30]

finite element method;CT shelter;modal analysis;kinetic characteristics

R318；R197.39

A

1003-8868（2015）09-0014-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.09.014

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（71173232）；天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（12ZCZDSF0070）；武警后勤學(xué)院博士啟動(dòng)金項(xiàng)目（WHB201413）

白 松（1985—），男，博士，講師，主要從事車輛結(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲控制、救援醫(yī)學(xué)方面的研究工作，E-mail：soon169@163.com。

300162天津，武警后勤學(xué)院附屬醫(yī)院救援醫(yī)學(xué)研究所（白松，于寶國(guó)，范 斌，丁 輝，張永忠，樊毫軍，侯世科）