基于有限元法的立式泵底座模態(tài)分析

王俊麟，魏凌霄，袁曉波，范祖相，周慶

（上海齊耀動力技術(shù)有限公司，上海 201203)

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真分析中的重要環(huán)節(jié)，能夠很好地通過仿真分析得出結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)特性，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)在實際工程應(yīng)用過程中產(chǎn)生的實際振動情況，是工程設(shè)計中重要的分析手段。模態(tài)分析能夠有效提升了設(shè)計質(zhì)量，直接降低設(shè)計成本。

目前，國內(nèi)相關(guān)結(jié)構(gòu)振動分析采用有限元模態(tài)分析方法較多，從設(shè)計角度解決了避免結(jié)構(gòu)共振的問題，北京工業(yè)大學(xué)萬山秀等人在復(fù)合材料車架的模態(tài)分析中通過對車架加載不同邊界條件，分析其一階至十階模態(tài)及模態(tài)振型，初步評價整體結(jié)構(gòu)發(fā)生共振，并做了性能評估。重慶交通大學(xué)楊雅怡等在汽車頂棚振動特性的研究及優(yōu)化中通過模態(tài)分析等途徑分析其動力學(xué)特性，解決汽車頂棚低頻振動大的問題，并通過聲振耦合等方法在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行聲學(xué)分析，并提出了汽車頂棚的設(shè)計改進(jìn)方法。

本文是基于原有水泵試驗臺底座進(jìn)行振動特性分析，原有水泵試驗臺底座（如圖1所示）有如下問題：泵運行過程中發(fā)現(xiàn)45～55Hz頻段振動大，初步分析原因是底座結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率與水泵轉(zhuǎn)頻，設(shè)計不合理，需要分析底座的固有頻率和模態(tài)特性，進(jìn)而提出解決方案。

1 邊界條件設(shè)定

原底座由四個H鋼和一個底板組成，底座上表面為安裝面，底座長寬高為840mm×700mm×1381mm，重量為305kg。

圖1 原底座模型

采用Creo2.0軟件對原底座進(jìn)行建模，原底座與地面通過螺栓固定，四個螺栓固定部位為固定約束，底座上方安裝面用于支撐水泵，水泵重量約150kg，如圖1所示。

2 原底座模態(tài)仿真分析

通過有限元軟件對原底座模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格寬度為20mm，并通過靜力學(xué)分析對模型進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，分析原底座的模態(tài)特性和模態(tài)振型。

通過模態(tài)分析，分析其前12階模態(tài)參數(shù)，模態(tài)參數(shù)詳見表1。

表1 原底座模態(tài)參數(shù) Hz

從表1可以看出，原底座在4～6階頻率處存在典型振型，主要振型如圖2所示。

其安裝面振動變形最大，直接影響水泵運行，與水泵轉(zhuǎn)頻（50Hz）產(chǎn)生共振。

3 底座優(yōu)化改進(jìn)

原底座在低頻附近存在振型，提高底座剛度可以提高底座的振動頻率，對底座提出改進(jìn)方案，在底座四個H鋼四周側(cè)面增加筋板，增加水平方向和上部的穩(wěn)定性，改進(jìn)后的模型如圖4所示，改進(jìn)后外形尺寸保持不變，重量為344kg。

圖2 原底座在50Hz附近的振型

圖3 改進(jìn)后底座模型

采用同樣的模態(tài)分析方法對改進(jìn)后底座進(jìn)行數(shù)值仿真分析，即給定邊界條件為四個螺栓固定部位為固定約束，改進(jìn)后底座前12階模態(tài)參數(shù)，模態(tài)參數(shù)詳見表2。

表2 改進(jìn)底座模態(tài)參數(shù) Hz

從表2可以看出，增加底座四周筋后，整體結(jié)構(gòu)的剛度增強(qiáng)，振動頻率避開了50Hz，和水泵轉(zhuǎn)頻不產(chǎn)生共振，改進(jìn)底座一階振動頻率67.1Hz處振型如圖4所示，由圖4可以看出，底座整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠為水泵穩(wěn)定運行提供保障。

圖4 改進(jìn)后底座應(yīng)力分布

4 結(jié)語

本文采用模態(tài)分析的方法對水泵底座的振動振型和頻率進(jìn)行分析，結(jié)合實際使用工況，提出了改進(jìn)方案，改進(jìn)后的底座由于剛性提高，整體振動頻率大幅度提高，通過振型可以看出，離50Hz最近的一階振型整體振型平穩(wěn)。

本文提供的方法可以廣泛應(yīng)用于水泵底座設(shè)計，通過模態(tài)分析，分析底座振型和水泵典型頻率是否存在共振，據(jù)此判斷底座設(shè)計是否合理。