遙控履帶車車架有限元模態(tài)分析

施炎

【摘 要】履帶車在行駛的過(guò)程中常承受多源復(fù)雜激勵(lì)作用而產(chǎn)生振動(dòng)，影響履帶車監(jiān)控性能及工作壽命。以全國(guó)大學(xué)生市級(jí)創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目“電磁輻射實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o人車”為例，借助三維建模軟件Solidworks建立其三維模型，而后將車架模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中進(jìn)行離散化處理，并基于Block Lanczos算法求解車架振動(dòng)模態(tài)。分析結(jié)果表明，小車固有的模態(tài)不會(huì)與小車特征頻率合拍，不會(huì)產(chǎn)生共振問(wèn)題。

【Abstract】 Tracked vehicles often suffer from multi-source complex excitation during driving， which results in vibration， and affects the monitoring performance and working life of tracked vehicles. Taking the municipal innovation training project "Real-time monitoring of electromagnetic radiation unmanned vehicle" as an example， the three-dimensional model of the unmanned vehicle is established by using the three-dimensional modeling software Solidworks， then the frame model is imported into ANSYS finite element analysis software for discretization， and the vibration mode of the frame is solved based on the Block Lanczos algorithm. The analysis results show that the inherent modes of the vehicle? do not match the characteristic frequencies of the vehicle， and there is no resonance problem.

【關(guān)鍵詞】履帶車;車架;三維建模;振動(dòng)模態(tài);有限元法

【Keywords】tracked vehicle; frame; three-dimensional mode of vibration; vibration mode; finite element method

【中圖分類號(hào)】U463.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）07-0175-03

1 引言

履帶車在行駛的過(guò)程中會(huì)受到各種激勵(lì)作用，如路面不平造成的位移激勵(lì)，電機(jī)轉(zhuǎn)子存在偏心造成的內(nèi)部激勵(lì)等。車架作為整車的骨架，連接著各個(gè)機(jī)構(gòu)總成，支撐整車的重量，承受外部荷載的作用，因此車架必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度來(lái)承受車自身的載荷和來(lái)自外部的沖擊。

模態(tài)分析是研究車輛結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)性能的一個(gè)重要方法。理論上，結(jié)構(gòu)具有多少個(gè)自由度，就對(duì)應(yīng)有多少個(gè)固有頻率，結(jié)構(gòu)在每一階固有頻率下振動(dòng)都對(duì)應(yīng)一個(gè)固有模態(tài)振型。模態(tài)分析方法包括計(jì)算模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法兩種，本文基于ANSYS有限元分析軟件，即采用計(jì)算模態(tài)方法對(duì)履帶車的車架進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)其振動(dòng)特性做出評(píng)價(jià)。

2 模態(tài)分析理論

設(shè)n多自由度系統(tǒng)自由振動(dòng)微分方程：

3 履帶車車架三維建模

根據(jù)實(shí)際功能要求，在SolidWorks三維建模軟件中對(duì)履帶車車架進(jìn)行建模，模型如圖1所示，并導(dǎo)出x_t格式的模型，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行前處理。

4 履帶車有限元建模

在ANSYS Workbench操作界面中，添加Modal模態(tài)分析模塊，將模型導(dǎo)入后，先耦合各零部件，在Mesh模塊中對(duì)車架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Sizing和Face Meshing兩種劃分方法對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為315071，單元數(shù)為197525。定義車架材料，車架材料為ABS材料，材料屬性如表1所示。

5 履帶車車架模態(tài)分析

5.1 履帶車車架自由模態(tài)分析結(jié)果

基于ANSYS Workbench有限元分析軟件的求解器對(duì)履帶車車架進(jìn)行模態(tài)分析，因車架的前六階固有頻率值為0或接近于0，因此可以判斷出前六階模態(tài)為剛體模態(tài)，代表了履帶車車架的剛體位移，而剛體模態(tài)對(duì)振動(dòng)分析并沒(méi)有實(shí)際意義，所以去除前六階剛體模態(tài)，主要針對(duì)后四階自由模態(tài)振型進(jìn)行分析，后四階模態(tài)振型分析結(jié)果如表2所示。因篇幅限制，自由模態(tài)分析結(jié)果只列出其中非剛體模態(tài)中第1階和第4階的模態(tài)振型如圖2、圖3所示，各階振型固有頻率與振型描述如表2所示。

5.2 履帶車車架自由模態(tài)分析結(jié)果評(píng)價(jià)

由對(duì)履帶車車架的前四階自由模態(tài)分析結(jié)果可知，履帶車的1階振型為扭轉(zhuǎn)振型，其最大幅值出現(xiàn)在車架側(cè)壁后段的上頂角處;2階振型為彎曲振型，其最大幅值出現(xiàn)在車架底盤后段的中心部位;3階振型為側(cè)向彎曲振型，其最大幅值出現(xiàn)在車架側(cè)壁中后段的上表面;4階振型為側(cè)向彎曲振型，其最大幅值出現(xiàn)在車架側(cè)壁前段的上頂角處。

5.3 履帶車車架預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果

首先根據(jù)履帶車在實(shí)際工作過(guò)程中的載重情況，將驅(qū)動(dòng)器、電池、攝像頭等儀器的重量添加至車架上，并施加重力場(chǎng)，再將小車的支撐軸固定，研究車架在該預(yù)應(yīng)力情況下的模態(tài)振型，其第1階和第6階預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型如圖4、圖5所示，各階振型固有頻率與振型描述如表3所示。

5.4 履帶車車架預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果評(píng)價(jià)

由ANSYS Workbench分析出的履帶車車架的預(yù)應(yīng)力分析結(jié)果可知，1階振型為車架后段彎曲振型，最大幅值出現(xiàn)在車架底盤后端邊緣中心處;2階振型為車架后段扭轉(zhuǎn)振型，最大幅值出現(xiàn)在車架側(cè)壁后段的上頂角處;3階振型為車架中段彎曲振型，最大幅值出現(xiàn)在車架底盤中部對(duì)稱平面處;4階振型為車架后段彎曲振型，最大幅值出現(xiàn)在車架側(cè)壁后段的上頂角處;5階振型為車架后段扭轉(zhuǎn)振型，最大幅值出現(xiàn)在車架最后端的壁面上;6階振型為車架后段扭轉(zhuǎn)振型，最大幅值出現(xiàn)在車架側(cè)壁后段的下頂角處。

假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)存在偏心力，履帶車快速行駛速度為1.5m/s，主動(dòng)輪的直徑為45mm，電機(jī)軸與主動(dòng)輪直接通過(guò)聯(lián)軸器連接，則激振力的頻率等于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率f=10.610Hz，小于49.599Hz，因此，在滿足相應(yīng)功能要求下，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不易與車架產(chǎn)生共振。

6 結(jié)論

運(yùn)用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)履帶車車架進(jìn)行模態(tài)分析，得到了車架自由模態(tài)前4階模態(tài)振型和預(yù)應(yīng)力模態(tài)前6階模態(tài)振型以及各階模態(tài)對(duì)應(yīng)的固有頻率，并分析出履帶車車架在各模態(tài)振型中運(yùn)動(dòng)幅值最大的部位。結(jié)合履帶車的實(shí)際工作需要，當(dāng)履帶車以1.5m/s的速度行駛時(shí)，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率f=10.610Hz低于預(yù)應(yīng)力模態(tài)中一階頻率49.599Hz。因此，車架固有模態(tài)不會(huì)與小車工作特征頻率合拍，不會(huì)產(chǎn)生共振。

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