基于ANSYS Workbench的某支撐架結(jié)構(gòu)改進(jìn)

薛 闊，張宇飛，顧睿峰

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

某裝備天線支撐架在使用過程中由于質(zhì)量過大每次開合都需要至少兩人小心操作，裝備維修時(shí)也不方便拆卸安裝。針對(duì)該問題，現(xiàn)場考察后，發(fā)現(xiàn)支撐架選用槽鋼較厚，推測設(shè)計(jì)安全裕量較多，有改進(jìn)空間。為了進(jìn)一步明確改進(jìn)方向，提出改進(jìn)方案，本文利用ANSYS Workbench對(duì)該支撐架作了相應(yīng)仿真分析。ANSYS Workbench是ANSYS公司提供的協(xié)同仿真環(huán)境，集成了多學(xué)科異構(gòu)CAE技術(shù)[1]。該軟件具有友好的用戶界面，與Pro/E等CAD軟件可無縫對(duì)接，操作簡便，功能強(qiáng)大，在工程分析中應(yīng)用廣泛[2]。

1 原支撐架靜力分析

在Pro/E中建立的支撐架模型如圖1所示。該支撐架選用16#b槽鋼焊接而成，主要分為橫梁、左支柱、右支柱3個(gè)部分。支撐架通過安裝板上軸孔與基座旋轉(zhuǎn)連接，打開立起時(shí)利用銷孔固定位置。

將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，材料選擇Q235鋼，此時(shí)支撐架質(zhì)量約為53 kg，與實(shí)際基本相符。該仿真的目的為模擬零件受力狀態(tài)，明確改進(jìn)方向，不必太精細(xì)處理，故考慮求解效率和實(shí)際需要后，模型的網(wǎng)格劃分選擇系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置即可，網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。

雷達(dá)設(shè)備工作時(shí)，天線架起，支撐架不工作；設(shè)備停止工作，天線收起時(shí)，支撐架工作狀態(tài)分為兩種情況。設(shè)備停放狀態(tài)時(shí)，支撐架只受到天線的靜壓力；設(shè)備轉(zhuǎn)場運(yùn)輸過程中，由于車體振動(dòng)，支撐架受到上下方向?yàn)橹鳌⑶昂笞笥曳较驗(yàn)檩o的動(dòng)荷載。該動(dòng)荷載受到路面狀況、行車速度、輪胎充氣程度及駕駛員技術(shù)水平等一系列因素的影響，產(chǎn)生非規(guī)律性的不穩(wěn)定變應(yīng)力?？紤]到裝備實(shí)際使用情況及支撐架較大的原始設(shè)計(jì)裕量，較合理的處理方法是將該問題簡化為靜荷載。

設(shè)備機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)場過程中，較極端的情況是車輛越野路面不平時(shí)，此時(shí)支撐架可能會(huì)短時(shí)間過載。結(jié)合車輛輪胎、懸掛系統(tǒng)及支撐架與天線間隔振器的減振作用，本文粗略估計(jì)后選擇給支撐架施加2～3倍天線反射面質(zhì)量約1.5 t的較大裕量靜荷載作為支撐架極端受力狀態(tài)進(jìn)行模擬。圖3為模型施加的邊界條件，支撐架荷載對(duì)稱分布，故A、B兩處分別施加7 500 N豎直向下的力。同時(shí)，在軸孔與銷孔處設(shè)置與地面間的旋轉(zhuǎn)副，然后求解。

圖4為支撐架總體變形云圖。由圖可知，變形主要趨勢(shì)為橫梁受壓向下彎曲，左右支柱分別向模型外側(cè)彎曲。最大變形點(diǎn)位于橫梁中部，變形值為0.45 mm，亦即為橫梁撓度，此時(shí)橫梁撓度與跨長比為1/3111。最小變形位于下部安裝板上，因?yàn)樵撎幣c安裝基座相配合，幾乎無位移。

圖5為支撐架等效應(yīng)力云圖。由圖可知，左右支柱內(nèi)側(cè)區(qū)域應(yīng)力相對(duì)較大，但是最大應(yīng)力點(diǎn)位于銷孔內(nèi)上側(cè)，最大值為76.94 Mpa，遠(yuǎn)小于鋼的許用應(yīng)力170 Mpa。圖6為安全系數(shù)云圖，其最小值為3.25，亦說明了支撐架槽鋼較厚，設(shè)計(jì)裕量較多。

由以上分析可知，仿真結(jié)果驗(yàn)證了最初的推斷。該支撐架的改進(jìn)可以考慮選用較薄的低型號(hào)槽鋼。又考慮到該支撐架的實(shí)際安裝、使用情況，對(duì)其結(jié)構(gòu)樣式不予改變，故下文選用12#槽鋼建立支撐架模型，并進(jìn)行仿真分析，以驗(yàn)證方案可行性。

2 改進(jìn)后支撐架仿真分析

2.1 靜力分析

支撐架改進(jìn)前后基本結(jié)構(gòu)外形未變，只是將原來16#b槽鋼改用12#槽鋼，所以其仿真設(shè)置與前文相同，求解后得到其總體變形云圖、等效應(yīng)力云圖及安全系數(shù)云圖。

圖7為改進(jìn)后支撐架的總體變形云圖，最大和最小變形點(diǎn)位置與改進(jìn)前相同，分別位于橫梁中部和下部安裝板上。最大變形值為0.93 mm，比改進(jìn)前增加了一倍，但是撓度與跨度比為1/1505，依然較小，說明橫梁滿足剛度條件。

圖8為等效應(yīng)力云圖。由圖可知，支撐架最大應(yīng)力點(diǎn)位于左支柱和橫梁連接處，最大值為155.82 Mpa，小于鋼材許用應(yīng)力170 Mpa，說明改進(jìn)后支撐架滿足強(qiáng)度要求。

圖9為安全系數(shù)云圖，其最小值為1.60，鑄鋼為塑性材料，安全系數(shù)一般在1.5～2.0，所以改進(jìn)后支撐架滿足要求。該支撐架改進(jìn)后質(zhì)量約為33 kg，比改進(jìn)前減輕了37. 8%。

2.2 模態(tài)分析

該支撐架安裝在機(jī)動(dòng)型載車平臺(tái)上，應(yīng)保證支撐架固有頻率遠(yuǎn)離車輛上所有的激振源頻率，所以本文對(duì)改進(jìn)后支撐架做了預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，以保證支撐架在車輛行駛過程中不會(huì)發(fā)生共振。

模態(tài)分析是計(jì)算機(jī)械結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值分析技術(shù)，可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和模態(tài)形狀[3]。模態(tài)分析中假設(shè)：(1)結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣不發(fā)生改變；(2)除非指定使用阻尼特征求解方法，否則不考慮阻尼效應(yīng)；(3)結(jié)構(gòu)中沒有隨時(shí)間變化的載荷。

無阻尼系統(tǒng)中，求解結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的運(yùn)動(dòng)方程為[1]

(1)

{u}={φi}cosωit

(2)

其中，{φi}為第i階模態(tài)形狀的特征向量，ωi為第i階固有振動(dòng)頻率，t為時(shí)間。

由以上兩式可得

(3)

所以，支撐架振動(dòng)特征方程為

(4)

通過該式可以求得第i階固有振動(dòng)頻率ωi，進(jìn)而可以求得第i階模態(tài)形狀的特征向量{φi}。

預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析與靜力分析共享數(shù)據(jù)，求解后得到支撐板前6階固有頻率見表1，各階固有頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型見圖10。

表1 改進(jìn)后支撐板前6階固有頻率

由圖10再結(jié)合仿真動(dòng)畫可知，第1階模態(tài)振型為支撐架在X軸方向的直線振動(dòng)；第2階模態(tài)振型為支撐架在Z軸方向的直線振動(dòng)；第3階模態(tài)振型為支撐架在Y軸方向的直線振動(dòng)；第4階模態(tài)振型為支撐架繞橫梁中部Y向軸左右擺動(dòng)；第5階模態(tài)振型為支撐架的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；第6階模態(tài)振型為支撐架繞橫梁中部Z向軸的擺動(dòng)。

針對(duì)該載車平臺(tái)，其主要激振源為發(fā)動(dòng)機(jī)，正常行駛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速約為1 000～1 500 r/min，即16.67～25 Hz。由表1可知，改進(jìn)后支撐架各階固有頻率均大于發(fā)動(dòng)機(jī)頻率，所以車輛行駛時(shí)不會(huì)形成共振。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)某支撐架過重的工程實(shí)際問題，運(yùn)用ANSYS有限元分析的方法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后支撐架質(zhì)量為33.071 kg，比改進(jìn)前減輕了37. 8%。該問題中的研究對(duì)象不是簡單的梁、桿結(jié)構(gòu)，理論分析方法需要將問題簡化才能研究。對(duì)于更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，有時(shí)難以理論計(jì)算，ANSYS有限元分析法則不會(huì)受此限制，方便對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)求解[4]，體現(xiàn)了較高的優(yōu)越性。