基于ANSYS的某小型集裝箱架的模態(tài)分析

張彭豪，蘇潤凡，王漢文，卞梨交

(西華大學(xué)西華學(xué)院，四川 成都 610039)

基于ANSYS的某小型集裝箱架的模態(tài)分析

張彭豪，蘇潤凡，王漢文，卞梨交

(西華大學(xué)西華學(xué)院，四川 成都 610039)

集裝箱在被貨車運(yùn)輸過程中經(jīng)常會受到路面的不平導(dǎo)致的顛簸震蕩，從而使集裝箱架產(chǎn)生非對稱性的載荷，引起集裝箱架的振動(dòng)現(xiàn)象。利用ANSYS軟件對運(yùn)載某Baja越野賽車的小型集裝箱架進(jìn)行模態(tài)分析，得到該集裝箱架的9階固有頻率和對應(yīng)的總形變圖，結(jié)果顯示集裝箱架的4至7階的頻率與路面的頻率比較耦合，對集裝箱架的影響較大，從而會對集裝箱中的越野賽車產(chǎn)生震蕩影響。

集裝箱架；ANSYS軟件；自由模態(tài)分析；固有頻率

引言

貨車裝載集裝箱在不平或路面較差的道路上行駛時(shí)，會引起集裝箱的振動(dòng)，集裝箱架就會承受在振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的載荷；若當(dāng)由載荷引起的該小型集裝箱架的激振頻率與其固有頻率一樣就會發(fā)生共振，造成集裝箱架產(chǎn)生形變甚至結(jié)構(gòu)破壞。為了不讓其產(chǎn)生共振現(xiàn)象，就需要對集裝箱架的固有頻率進(jìn)行相應(yīng)的分析，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)避開各種振蕩的頻率。

針對某Baja越野車的集裝箱架用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，找出集裝箱架所固有的振動(dòng)頻率以及產(chǎn)生較大形變的部位，利于對該小型集裝箱架進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，也可為之后的集裝箱架的設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。

1 集裝箱架的三維模型

集裝箱架全長為3.05m，寬為2.2m，高為2.1m，所用的材料為Chrome Stainless Steel ，其彈性模量為2.00E+11N/，泊松比為0.280，質(zhì)量密度為7.80E+03。所建立的集裝箱架的三維模型如下圖1所示：

圖1 集裝箱架三維圖

利用ANSYS軟件中的modal，即模態(tài)分析選項(xiàng)，進(jìn)入后選擇mesh工具選項(xiàng)對該集裝箱架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在設(shè)置參數(shù)時(shí)采用Sizing中off，Element Size設(shè)置為20mm，其他為默認(rèn)設(shè)置，劃分網(wǎng)格的方法為直接劃分法，此模型中共有節(jié)點(diǎn)數(shù)1357081個(gè)，單元數(shù)481174個(gè)，劃分網(wǎng)格后的模型圖如圖2所示：

圖2 網(wǎng)格化模型圖

2 自由模態(tài)分析基本理論模型

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性一種方法；而模態(tài)指的是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。分析這些模態(tài)參數(shù)的過程稱為模態(tài)分析。模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個(gè)方面：

1) 評價(jià)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；

2) 在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)；

3) 診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；

4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；

5) 識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。

對于一個(gè)多自由度的線性定常系統(tǒng)，該系統(tǒng)的振動(dòng)方程為：

對于結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析來說，可以知道其階模態(tài)固有的頻率ωi和φi振型，且每一個(gè)固有的頻率都有一個(gè)對應(yīng)的振型。

3 對小型集裝箱架的模態(tài)分析研究

集裝箱架在設(shè)計(jì)時(shí)能否滿足振動(dòng)要求，一般是采用該集裝箱架的低階振動(dòng)頻率進(jìn)行研究討論，而在設(shè)計(jì)集裝箱架的結(jié)構(gòu)時(shí)主要考慮到集裝箱架的低階振動(dòng)頻率應(yīng)該不在路面的激振頻率的范圍內(nèi)，這樣可以避免共振現(xiàn)象的產(chǎn)生。

利用ANSYS軟件中的modal板塊對該小型集裝箱架進(jìn)行自由模態(tài)分析；對于自由模態(tài)分析，是沒有邊界約束條件和外加載荷的，分析了該模型的前9階固有頻率，各階固有頻率表與各固有頻率分布圖如下表1與圖3所示：

表1 集裝箱架前9階固有頻率

圖3 各階固有頻率分布圖

由上表和上圖可以看出第一階的固有頻率為0 Hz，第二、三階的固有頻率趨近于0 Hz，因此通過前3階的固有頻率可以知道在前3階頻率下集裝箱架可以看成是剛體，幾乎不會產(chǎn)生振動(dòng)變形；而道路路面的激振頻率一般為120 Hz，因此第4階至第7階的頻率處于路面的激振頻率范圍內(nèi)，在此情況下集裝箱架與路面可能會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。再通過ANSYS中在個(gè)頻率下總形變的分析，可得到該集裝箱架模型的總形變圖，如下圖4所示：

圖4 模型總形變圖

經(jīng)過在各固有頻率下的總形變分析可知，前3階可以將模型視作剛體，總形變可忽略不計(jì)，在第4階至第7階固有頻率下，集裝箱架的右部上下頂點(diǎn)處的形變最厲害，第7階時(shí)此處的總形變達(dá)到最大，使箱架發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，第8、9階的形變主要集中在箱架左部，使箱架發(fā)生輕微扭曲變形，此出現(xiàn)此種情況可能與汽車在行駛時(shí)的車身的振動(dòng)有關(guān)。

從以上分析的結(jié)果知道，該小型集裝箱架模型的模態(tài)分析處的固有頻率在040Hz之間，而道路的路面的頻率一般是120Hz，在此頻率范圍中該小型集裝箱架可能會與路面發(fā)生共振現(xiàn)象，為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該避開此頻率為好。

結(jié)論

通過利用ANSYS軟件對某Baja越野車的小型集裝箱架進(jìn)行自由模態(tài)分析，分析其前9階的固有頻率，并分析了此模型在各個(gè)固有頻率下的總形變效果。從結(jié)果可以看出，該集裝箱架的第4階至第7階固有頻率是處在路面的激振頻率之中的，它可能會與路面的激振頻率發(fā)生耦合，從而產(chǎn)生低頻共振現(xiàn)象，后兩階固有頻率顯示可能該集裝箱還可能會與運(yùn)輸車的發(fā)動(dòng)機(jī)等發(fā)出的頻率相耦合，兩種情況都會使得該集裝箱架產(chǎn)生扭曲等變形。因此，需要對該小型集裝箱架進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，以達(dá)到更好的效果，進(jìn)而可以為集裝箱架的設(shè)計(jì)使用提供理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯：孫 強(qiáng))

A Small Container Frame Based on ANSYS Modal Analysis

ZHANG Penghao，SU Runfan，WANG Hanwen，BIAN Lijiao

(School of Xihua, Xihua University, Chengdu, Sichuan 610039, China)

Container by truck transportation process will often uneven turbulence oscillation caused by the road, which makes the asymmetry load produced by the container frame. Container frame vibration caused by using ANSYS software carries a small container frame of Baja off-road racing modal analysis, and gets the container frame 9 order natural frequency and the corresponding total deformation figure, and the results show that the container frame 4 to 7 levels of frequency and the frequency of the pavement is coupling, and has bigger influence on the container frame, which would shock impact on container of off-road racing.

container frame; ANSYS software; free modal analysis; natural frequency

2017-02-22

張彭豪(1995- )，男，四川德陽人，車輛工程專業(yè)本科生。

U656.B5

A

1671-4385(2017)02-0102-03