匯流環(huán)底板動(dòng)態(tài)特性分析*

文 廣，程 明,張學(xué)蓉，唐先春，蔣辛輝，李 航

(1.成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 成都 611730；2.成都無(wú)線電專用設(shè)備廠(國(guó)營(yíng)633廠)，四川 成都 611730)

0 引 言

作為匯流環(huán)的重要零部件之一，底板主要承受來(lái)自于上方的壓力。除了底板外，匯流環(huán)內(nèi)部還裝有環(huán)芯等轉(zhuǎn)動(dòng)部件。由于零件的加工及裝配等工序中存在無(wú)法避免的誤差等原因，匯流環(huán)在工作時(shí)，包括底板在內(nèi)的各零部件會(huì)承受一定的隨機(jī)振動(dòng)載荷，因此，在進(jìn)行匯流環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，有必要對(duì)包括底板在內(nèi)的零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析的方法有很多，常見(jiàn)的有試驗(yàn)法和仿真分析法，其中，仿真分析法由于其低成本、操作方便等原因，在結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]～[4]分別以某精密機(jī)床、某頂驅(qū)傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪軸大齒輪、某小型電動(dòng)汽車的輪轂和某叉車驅(qū)動(dòng)橋橋體為研究對(duì)象，利用有限元軟件Ansys Workbench對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析，獲取了結(jié)構(gòu)的模態(tài)振型和固有頻率等參數(shù)。文獻(xiàn)[5]為了研究某電動(dòng)輪自卸車車架的靜動(dòng)態(tài)特性，開(kāi)展了多工況下的動(dòng)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析。文獻(xiàn)[6]則利用有限元軟件Ansys對(duì)某桁架式門機(jī)的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，獲取了結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率和振型。文獻(xiàn)[7]采用ADAMS軟件對(duì)某角接觸球軸承在不同徑向載荷、軸向載荷、角加速度條件下的加速過(guò)程進(jìn)行了仿真。筆者使用有限元軟件Ansys對(duì)某匯流環(huán)底板結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，獲取結(jié)構(gòu)的模態(tài)固有頻率、振型及簡(jiǎn)諧響應(yīng)曲線，為該底板及匯流環(huán)整體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)參考。

1 匯流環(huán)底板結(jié)構(gòu)示意及有限元模型

底板是匯流環(huán)的重要零部件之一，安裝在匯流環(huán)底部，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。該底板由鋁制成，其材料特性參數(shù)如表1所列。

圖1 匯流環(huán)底板結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 匯流環(huán)底板有限元模型

表1 匯流環(huán)底板材料特性參數(shù)

基于匯流環(huán)底板的結(jié)構(gòu)示意圖，在忽略底板上的倒角等較小結(jié)構(gòu)后，按照有限元建模的思路，建立其有限元模型。整個(gè)底板結(jié)構(gòu)采用Solid 187 實(shí)體單元模擬，實(shí)體模型建立后，選用自由網(wǎng)格劃分方式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，離散后的有限元模型如圖2所示，該模型共有49 075個(gè)單元，81 952個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2 匯流環(huán)底板自振特性分析

文中主要利用Ansys軟件的模態(tài)分析模塊來(lái)開(kāi)展匯流環(huán)底板的自振特性分析，根據(jù)有限元理論，模態(tài)分析主要用于獲取結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型等自振特性參數(shù)。該底板的動(dòng)力學(xué)方程可以用下式來(lái)描述[8]：

(1)

底板的模態(tài)分析采用蘭斯索斯法，分析結(jié)束后，提取底板結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)固有頻率如表2所列及各階模態(tài)振型如圖3所示。

表2 底板模態(tài)固有頻率

圖3 底板模態(tài)振型圖

從圖3可以看出，該匯流環(huán)底板的前六階模態(tài)振型主要表現(xiàn)如下：第一階模態(tài)振型主要表現(xiàn)為底板中間部位的上下起伏振型，第二至第六階振型均表現(xiàn)為底板結(jié)構(gòu)整體的扭曲振型。

3 匯流環(huán)底板諧響應(yīng)分析

利用有限元軟件Ansys的諧響應(yīng)分析模塊，對(duì)該匯流環(huán)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)分析?？紤]到該底板前六階模態(tài)固有頻率最大值為2 752.7 Hz，因此，將外界激勵(lì)載荷頻率設(shè)置為0～2 760 Hz，間隔為10 Hz，激勵(lì)載荷的大小保持不變，即為階躍載荷，載荷施加位置如圖4所示。分析后，提取底板結(jié)構(gòu)上部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移幅值響應(yīng)曲線，如圖5所示。

圖4 加載后的底板有限元模型

圖5 底板關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移響應(yīng)幅值曲線

從圖5可以看出，所有關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)幅值均在激勵(lì)載荷頻率約為2 320 Hz時(shí)，達(dá)到了最大，該激勵(lì)頻率和底板結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)固有頻率值接近，因此，可以認(rèn)為在該底板結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)中，其第一階模態(tài)對(duì)其自身的動(dòng)態(tài)特性影響最大。

4 結(jié) 論

利用有限元軟件對(duì)某匯流環(huán)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，借助模態(tài)分析模塊和諧響應(yīng)分析模塊分別獲取了底板結(jié)構(gòu)的模態(tài)固有頻率、振型及位移響應(yīng)曲線。通過(guò)計(jì)算分析取得如下主要結(jié)論。

(1)該匯流環(huán)底板結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)固有頻率分別為：2 318、2 553.7、2 734.5、2 747.2、2 747.8、2 752.7 Hz。

(2)該底板結(jié)構(gòu)的前六階模態(tài)振型主要表現(xiàn)如下：第一階模態(tài)為底板結(jié)構(gòu)中間部位的上下起伏振型，其余各階振型均表現(xiàn)為底板整體的扭曲振型。

(3)該底板結(jié)構(gòu)在激勵(lì)載荷頻率約為2 320 Hz時(shí)，其位移響應(yīng)幅值達(dá)到最大，底板結(jié)構(gòu)的第一階模態(tài)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性影響較大。