基于PRO/E和NASTRAN的裝載機工作裝置模態分析

王桂梅,李鳳玲,張 平,彭月猛

（河北工程大學機電學院,河北邯鄲 056038）

裝載機經常會在條件惡劣的環境下工作,振動難以避免,尤其是裝載機的重要部件,嚴重時會導致零部件的破壞,影響了裝載機的正常工作。在以往的設計中大部分還是按照靜強度和靜剛度來計算校核的,即使考慮了動態載荷也存在一定的問題,結構建模存在很多假設因素,無法對裝載機在工作過程中受到的動態載荷進行準確驗證,嚴重影響了裝載機的工作穩定性和工作人員的操縱舒適性,大大降低了工作效率。

模態分析是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法,對結構進行動態響應分析及疲勞分析等優化分析都是以模態分析為基礎的。本文首先利用PROE建立裝載機工作裝置三維虛擬模型,通過PRO/E和PATRAN的接口導入有限元軟件PATRAN中,建立了比較符合實際結構的有限元模型,并對其進行模態分析,為產品試制和新產品的改進提供基礎和理論依據。

1 模態分析理論

模態分析是動力學分析的基本內容,阻尼對結構的固有頻率和振型的影響都不大,因此采用無阻尼的自由振動來求解振動頻率和振型,進行模態分析。公式如下:

式中[M]—總質量矩陣;[K]—總體剛度矩陣;{u}—位移;w—反應振動頻率;{φ}—振型。

由式（1-3）得

對于每一個特征值wi都有一個特征向量{φi}滿足上式,每一個特征值和特征向量決定結構的一種自由振動形式,設fi為第 i個固有頻率,則:

2 模型的建立

采用PRO/E對裝載機建立包括鏟斗、動臂、連桿、搖臂、轉斗缸、舉升缸和工作裝置支架在內的工作裝置虛擬樣機模型,如圖1所示。

3 模態分析

3.1 模型參數

進行模態分析所需材料密度,彈性模量,泊松比等相關參數具體值,見表1。

表1 16Mn材料屬性Tab.1 16Mn Material properties

3.2 分析流程

3.3 模態分析

一般來說,結構的振動可以表示為各階固有陣型的線性疊加,其中較低階的振型對結構振動的影響程度要高于高階振型,因此低階振型決定了結構的振動特性。根據所建立的裝載機工作裝置動力學模型,利用NASTRAN對裝載機進行模態分析,提取模態（圖3）。

由圖3可以看出,第1階模態是連桿的扭轉彎曲振動,振動頻率完全不在其工作范圍之內,發生共振的可能性很小;第2階、4階和7階模態主要是動臂的扭轉振型,由于動臂的振動范圍變化比較大,極易發生共振,造成構件的提前破壞,設計者可在設計階段通過改變材料,加厚動臂,添加加強板等措施提高它的剛度;第3階和第8階模態主要是鏟斗的扭曲變形,鏟斗是裝載機的直接執行裝置,動態特性影響著整個裝載機的動態特性,設計者可以通過改變鏟邊坡度,加厚加強板等措施改善此情況。

4 結語

1）通過觀察裝載機工作裝置各階振型和變形形態動畫,可以清晰地看出裝載機在各階模態下的變形情況,找出薄弱環節和在結構設計中有待改進的地方,為裝載機初級階段設計提出了有利依據。

2）模態分析是許多動力響應分析的基礎,固有頻率和振型可直接用于模態頻率響應分析和瞬態響應分析中,可以了解結構之間的關系及和整個系統的動特性,從而為結構動態設計和結構改進提供科學依據。

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