三角平臺(tái)振動(dòng)特性的研究

丁莉+曹海琳+晏義伍+翁履謙+曾強(qiáng)

摘 要：平臺(tái)的類型多種多樣，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、建筑、生活、軍事等諸多領(lǐng)域。三角形平臺(tái)是最基本的平臺(tái)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該文采用試驗(yàn)方法和數(shù)值仿真方法對(duì)三角平臺(tái)的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，獲得了平臺(tái)的固有頻率及對(duì)應(yīng)的振型。比較后發(fā)現(xiàn)，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，可用于預(yù)測(cè)三角平臺(tái)的振動(dòng)特性，為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：三角平臺(tái) 振動(dòng)特性 應(yīng)用領(lǐng)域

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）03（c）-0239-03

平臺(tái)結(jié)構(gòu)由于受力合理、重量輕等優(yōu)點(diǎn)在海洋工程、造船、航空航天、機(jī)械及結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-2]。平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用都需要避免振動(dòng)造成的破壞，平臺(tái)的振動(dòng)特性不容忽略[3-4]。

該文選取最基本的三角形平臺(tái)作為研究對(duì)象，結(jié)合振動(dòng)試驗(yàn)及有限元數(shù)值仿真結(jié)果，分析三角平臺(tái)的振動(dòng)特性，為平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)性能提供數(shù)據(jù)參考。

1 三角形平臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)[5]進(jìn)行，該系統(tǒng)由振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，振動(dòng)控制儀，功率放大器，冷卻風(fēng)機(jī)，電腦系統(tǒng)和電荷式加速度傳感器構(gòu)成。電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體工作頻率范圍為5～4 500 Hz，最大位移為25 mm，最大速度為2 m/s，額定載荷為70 kg。傳感器的測(cè)量范圍是0.5～10 kHz。

三角平臺(tái)臺(tái)面由橡皮筋吊起，使用水平儀保證臺(tái)面的水平度，并在三角平臺(tái)臺(tái)面重心位置使用頂桿與振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行連接，保證平臺(tái)臺(tái)面與振動(dòng)臺(tái)的同步性，見圖1。

試驗(yàn)時(shí)，先以正弦掃頻方式獲得3種不同的三角形臺(tái)面在掃頻范圍內(nèi)的固有頻率；然后使各試件在其固有頻率下定頻振動(dòng)。定頻振動(dòng)前，在臺(tái)面上均勻鋪滿微小顆粒物。平臺(tái)振動(dòng)過程中，臺(tái)面的微小顆粒將由于振動(dòng)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，只有在振幅小的區(qū)域才能被保留在臺(tái)面，其余的將跌落到平臺(tái)外。因此，可以根據(jù)激振后微小顆粒物的分布情況來估計(jì)平臺(tái)臺(tái)面在其固有頻率的振動(dòng)下振幅偏小的區(qū)域。

試驗(yàn)選取了3種三角形平臺(tái)臺(tái)面，見圖2，編號(hào)為A、B、C，材料均為鋁板，表1給出了試驗(yàn)件的尺寸。見表1。

2 三角平臺(tái)振動(dòng)特性數(shù)值仿真方法

有限元方法是將連續(xù)體離散成有限個(gè)單元，求解各種初值條件的數(shù)值計(jì)算方法[6-7]。該文采用有限元方法對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析，圖3給出建立的三種平臺(tái)的有限元模型。采用Block Lanczos算法[8]獲得平臺(tái)的固有頻率與對(duì)應(yīng)振型，該算法適用于大型對(duì)稱矩陣特征值求解問題，可以在保證精度的同時(shí)提高收斂速度。計(jì)算采用的鋁材料參數(shù)如表2所示。

3 試驗(yàn)與數(shù)值仿真結(jié)果

表3給出試驗(yàn)與數(shù)值仿真所得的固有頻率。比較發(fā)現(xiàn)，通過仿真得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合，最大偏差為4.2%。見表3。

圖4～圖6給出三種試件試驗(yàn)與數(shù)值仿真獲得的振型。數(shù)值模擬結(jié)果中藍(lán)色區(qū)域?yàn)檎穹^小區(qū)域。比較發(fā)現(xiàn)，3種試件所得的試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，振動(dòng)后的微小顆粒所處位置都與仿真計(jì)算所得的藍(lán)色區(qū)域一致，所處位置為振幅較小處。由于試驗(yàn)時(shí)無法在平臺(tái)表面滯留足夠多的顆粒，因此，試驗(yàn)結(jié)果無法表征出振幅細(xì)節(jié)。而采用數(shù)值仿真方法，可以獲得平臺(tái)上每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)情況，可以通過結(jié)果云圖形象地觀察到振動(dòng)時(shí)振幅的分布情況。

4 結(jié)論

該文采用試驗(yàn)方法與數(shù)值仿真方法對(duì)3種三角形平臺(tái)臺(tái)面的振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，獲得了掃頻范圍內(nèi)的固有頻率及振型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)得出的固有頻率與有限元分析得出的固有頻率最大誤差為4.2%，對(duì)應(yīng)振型結(jié)果吻合較好。通過數(shù)值仿真方法可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，獲得更加細(xì)致的振型云圖，能夠大量節(jié)省人力物力，指導(dǎo)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)

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