基于ANASYS 的T 型梁模態(tài)分析

李春雷 ，李國(guó)巍

（承德應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院裝備制造系，河北 承德 067000）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械行業(yè)提出了更高的要求，在保證生產(chǎn)需要的前提下，要盡可能地提高安全性和耐久性。在一些大型、重型的機(jī)械設(shè)備中，T 型梁作為連接或承重結(jié)構(gòu)，有著不可替代的作用。T 型梁在周期性的外部動(dòng)態(tài)激勵(lì)和內(nèi)部沖擊載荷的作用下，將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。如果不能有效地避開由于其固有頻率而產(chǎn)生的共振，將會(huì)影響T 型梁的使用壽命，導(dǎo)致連接振動(dòng)及傳動(dòng)的可靠性降低，甚至更嚴(yán)重的事故，后果不堪設(shè)想[1]。基于此，本研究通過三維建模軟件SolidWorks 精確地建立了T 型梁的三維實(shí)體模型，并利用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而進(jìn)行模態(tài)分析。

1 ANSYS有限元分析單元類型的確定

本研究所分析的是鑄鋼材料T 型梁，T 型梁的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，其三維實(shí)體幾何模型如圖1 所示。通過ANSYS 直接建模，并進(jìn)行材料屬性的設(shè)置和網(wǎng)格劃分，所以在實(shí)體單元的選擇上采用四面體單元進(jìn)行分析，這種單元類型精度高，并且能夠保證計(jì)算精度[2]。T 型梁有限元網(wǎng)格模型如圖2 所示，其材料類型及特性參數(shù)如表1所示。

圖1 T型梁三維實(shí)體幾何模型

圖2 T型梁有限元網(wǎng)格模型

表1 T型梁材料類型及特性參數(shù)表

T 型梁的左右端面約束了X、Y 方向的自由度，Z方向，即軸向?yàn)樽杂蔂顟B(tài)。在T 型梁上表面施加均布載荷50 000 Pa，計(jì)算此工況下T 型梁的應(yīng)力和變形情況，然后對(duì)T 型梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力下的模態(tài)分析，模態(tài)擴(kuò)展階數(shù)為5[3]。施加完邊界條件和載荷后的有限元模型，如圖3所示。

圖3 施加邊界條件及載荷后的有限元模型

2 應(yīng)力分析結(jié)果

在均布載荷的作用下，T 型梁的應(yīng)力分布云圖如圖4 所示。在此工況下，T 型梁的最大應(yīng)力為6.9 MPa，距離屈服極限很遠(yuǎn)，所以很安全。

T 型梁的變形分布云圖如圖5 所示，在此工況下，T 型梁的最大變形量為0.1 mm，變形量很小，所以工作很安全。

3 模態(tài)分析

本研究采用約束方式進(jìn)行模態(tài)分析，X、Y 方向的自由度受T 型梁兩端面的約束，從而使Z 方向處于軸向自由狀態(tài)，下面給出分析結(jié)果[4]。

一階模態(tài)的固有頻率值為117 Hz，一階固有頻率結(jié)果如圖6 所示。一階模態(tài)的振動(dòng)彎曲方向主要體現(xiàn)在Y 軸的負(fù)方向，并且與T 型梁的實(shí)際使用工況較為接近[5]；T 型梁的振動(dòng)峰值出現(xiàn)在腹部區(qū)域，并呈中部向邊緣遞減的狀態(tài)。

圖4 T型梁應(yīng)力分布云圖

圖5 T型梁變形分布云圖

圖6 一階固有頻率結(jié)果圖

二階模態(tài)固有頻率值為255 Hz，二階固有頻率結(jié)果如圖7 所示。振型表現(xiàn)為T 型梁腹部Y 軸的正方向垂直彎曲振動(dòng)，其拉伸形變產(chǎn)生在T 型梁腹部區(qū)域[6]，且在此產(chǎn)生的扭動(dòng)振動(dòng)最大，并呈向兩端遞減的狀態(tài)，數(shù)值為0 的地方出現(xiàn)在約束施加端。

三階模態(tài)固有頻率值為319 Hz，三階固有頻率結(jié)果如圖8 所示。其表現(xiàn)形式為繞Z 軸方向的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，其扭轉(zhuǎn)中心出現(xiàn)在T 型梁的中間部位，從而使變形較大的區(qū)域出現(xiàn)在緊挨腹部的區(qū)域[7]，并由該區(qū)域向兩邊遞減，0值出現(xiàn)在約束施加端。

圖7 二階固有頻率結(jié)果圖

圖8 三階固有頻率結(jié)果圖

四階模態(tài)固有頻率值為393 Hz，四階固有頻率結(jié)果如圖9 所示。其振動(dòng)形式表現(xiàn)為Z 軸方向的前后扭動(dòng)，與前幾階模態(tài)的振動(dòng)表現(xiàn)形式略有不同，但其中心位置基本沒有變化，最大變形值都出現(xiàn)在中間腹部處[8]，并由此向兩邊遞減，直至變?yōu)?。

圖9 四階固有頻率結(jié)果圖

五階模態(tài)固有頻率值為709 Hz，五階固有頻率結(jié)果如圖10 所示。其振動(dòng)形式是兩個(gè)方向的疊加振動(dòng)，分別是Z 軸方向的前后扭動(dòng)和Y 軸方向的垂直扭動(dòng)。其與四階模態(tài)有不同之處，主要變形表現(xiàn)為沿Y 軸垂直扭動(dòng)變形，并以其腹部偏下位置為中心[9]。因其振動(dòng)，使得T 型梁產(chǎn)生的拉伸形變出現(xiàn)最大值，并向兩邊逐漸遞減，0值依然出現(xiàn)在約束施加端。

圖10 五階固有頻率結(jié)果圖

通過分析五階次以上的頻率及云圖，模態(tài)陣型表現(xiàn)大致相同，不同的是T 型梁中間側(cè)出現(xiàn)擠壓變形，而且兩頭頂端的扭動(dòng)和中間腹部處的扭動(dòng)方向不同，扭動(dòng)的次數(shù)變多，幅度變大[10]。

4 小結(jié)

模態(tài)分析理論是研究和分析振動(dòng)特性的一種技術(shù)手段，可以判斷在各種工況下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。通過分析可以得到共振頻率和相對(duì)變形，在設(shè)計(jì)和使用時(shí)可以有效地避免發(fā)生共振，也可以驗(yàn)證變形是否滿足工作要求范圍。此分析是T 型梁做動(dòng)態(tài)分析的前提和基礎(chǔ)，也可以為設(shè)計(jì)分析和后期的故障診斷提供有力依據(jù)。通過對(duì)T 型梁模態(tài)和陣型的分析，發(fā)現(xiàn)此T 型梁理論上不會(huì)發(fā)生共振，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理。本研究的約束模態(tài)計(jì)算選取了臺(tái)架試驗(yàn)中的約束情況，現(xiàn)實(shí)的T 型梁工況比較復(fù)雜，包括多系統(tǒng)綜合力系的作用，進(jìn)行綜合模態(tài)有限元計(jì)算會(huì)得到更符合實(shí)際的結(jié)論。