基于MSC.Patran的路燈桿的模態分析

曾齊高，羅 飛，李積彬

（1.深圳市龍崗職業技術學校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學院，廣東深圳 518040；3.深圳大學機電與控制工程學院，廣東深圳 518060）

基于MSC.Patran的路燈桿的模態分析

曾齊高1，羅 飛2，李積彬3

（1.深圳市龍崗職業技術學校，廣東深圳 518172；2.深圳技師學院，廣東深圳 518040；3.深圳大學機電與控制工程學院，廣東深圳 518060）

運用Pro/Engineer軟件建立路燈桿的3D模型，并利用該模型進行數據轉換，其后使用MSC.Patran對導入的路燈桿模型進行模態分析，根據分析結果，得出在安裝路燈桿時周圍設備的振動頻率盡量避開路燈桿的固有頻率，以免發生共振，從而保證路燈桿的使用安全性。

MSC.Patran；路燈桿；模態分析；共振

0 引言

有限元方法（Finite Element Methods）這個名詞第一次出現，到今天有限元在工程上得到廣泛應用，經歷了三十多年的發展歷史，理論和算法都已經日趨完善。有限元的核心思想是結構的離散化，就是將實際結構假想地離散為有限數目的規則單元組合體，實際結構的物理性能可以通過對離散體進行分析，得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復雜問題[1]。

近年來隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析在工程設計和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經成為解決復雜的工程分析計算問題的有效途徑，現在從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在機械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、石化、能源和科學研究等各個領域的廣泛使用已使設計水平發生了質的飛躍[2-3]。

有限元網格生成方法研究領域已取得許多重要成果，形成了獨特的方法論體系，提出了許多有效的算法并研制出一些成功的工程化軟件產品，現在用得比較多的軟件主要有ANSYS、MSC. Patran和Deform等。而本文就是利用MSC.Patran對路燈桿進行模態分析。

1 路燈桿的基本參數及建模

路燈桿的材料是鍍鋅的合金鋼，根據機械設計師手冊[4]查得此材料的一些基本參數如表1所示。

表1 材料特性表

由于路燈桿不易進行直接測量，所以在午后通過陽光投影法可測得路燈桿的幾何尺寸如下：底座：300 mm×300 mm×10 mm、主桿下段外徑D1：160 mm 長度L1:2 000 mm，壁厚b:5 mm、主桿上段外徑 D2:90 mm長度 L2:5 890 mm ，壁厚b:5 mm、反光罩簡化為一等腰梯形，上底：760 mm ；下底：1 100 mm ； 高 ：1 180 mm。根據以上數據并利用Pro/ ENGINEER Wild?fire 3.0對路燈桿進行3D實體建模，結果如圖1所示。

圖1 路燈桿的3D圖

但是由于MSC.Patran軟件中的需要的是.stp格式的文件，而Pro/ENGINEER Wildfire 3.0所生成的是.prt格式的文件，所以要進行數據轉換，即把.prt格式文件轉化成.stp格式文件的，輸出step文件時選擇實體和殼，點擊確定即可。

2 有限元分析過程

在本文中，首先運用Pro/Engineer建立3D模型，再用MSC.Patran軟件進行FEM分析，求解出固有頻率和其相應的振型[5]，具體步驟如圖2所示。

圖2 FEM分析步驟

（1）MSC建模

在進行FEM分析之前，首先需要新建一個MSC分析文件，其新建文件及文件導入步驟為：New Database→File→Import，輸入文件名即可。

（2）網格劃分

網格劃分是有限元分析中的一個重要的步驟，MSC軟件中有自動劃分網格的功能，選擇MESH→SOLID，然后選擇輸入實體名稱，再確定網格大小即可。

（3）邊界條件設置

網格劃分結束后，就是對待分析的零件進行邊界條件設置，其中邊界條件包括邊界運動，邊界載荷，邊界溫度等設置，本次分析只需對邊界運動過程，以及固定邊界，以及受力等進行設置。

若對零件進行不同的狀態分析，則要對邊界受力進行設置，模態分析則不需要設置力的邊界條件。而靜應力分析，以及壓桿穩定性分析則需要對力進行設置。

（4）材料參數設置

邊界條件設置完成后則需對零件材料進行設置，由于路燈桿的材料選用為鍍鋅的合金鋼，點擊Input Options輸入表1中材料特性參數。

（5）路燈桿的材料特性選擇

剛才所設置的材料特性要賦予路燈桿，點擊Input Properties將材料特性賦予路燈桿。

（6）分析計算

MSC.Patran軟件可以靜應力分析（LINEAR STATIC），壓桿穩定性（BUCKLING），模態分析（NORMAL MODES）等有限元動態性能分析，本文只對路燈桿進行模態分析（NORMAL MODES）。不同分析選擇下面對話框中不同選項。

（7）模態分析結果

在不同的頻率下的模態結果如圖3所示。

由圖3可知，路燈的前7階模態的頻率為1.124 6 Hz、1.126 3 Hz、6.533 Hz、8.830 1 Hz、11.056 Hz、20.707 Hz、22.788 Hz，前2階模態比較接近，3—5比較接近，6和7階模態較接近。前7階段模態對應的振形主要是路燈部分發生扭轉變形，其中前2階主要是燈頭發生擺動，3-7階不但是燈頭發生擺動，同時燈桿也發生彎曲擺動。交流電的工頻為50 Hz，而路燈的前7階模態遠離其交流電工頻，避免了電流引起的振動。

圖3

3 結論

有限元分析方法（FEM）作為一個對產品的預先處理方法，現已廣泛被用于工程設計以及制造中，本文利用MSC.Patran對路燈桿進行模態分析，得到了路燈桿的七種模態，路燈桿的固有頻率為1.124 6 Hz表現為水平彎曲，固有頻率為1.126 3 Hz表現為垂直彎曲，固有頻率為8.830 1 Hz表現為扭曲。根據該模態分析結果：

（1）前7階模態遠離工頻，保證在通電情況下避免發生共振。

（2）在安裝路燈桿時周圍設備的振動頻率盡量避開路燈桿的固有頻率，以免發生共振，從而路燈桿的使用安全性。

［1］李積彬，馮平.計算機輔助工程：CAE有限元分析篇［Z］.深圳：深圳大學，2005.

［2］羅飛，曾齊高，陳恒亮，等.基于Pro/Mechanica的電梯曳引機承重梁的模態分析［J］.機電工程技術，2014（02）：57-60，101.

［3］謝占功，李積彬，羅飛，等.深海潛水泵軸系的有限元分析研究［A］.2009海峽兩岸機械科技論壇論文集［C］.2009：476-481.

［4］毛謙德，李振清.機械設計師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［5］宋雷，邵明，王春艷.基于MSC.Patran的粉末成形模架模態分析［J］.機電工程技術，2008（02）：46-47.

Modal Analysis of Lampposts Based on MSC.Patran

ZENG Qi-gao1，LUO Fei2，LI Ji-bin3
（1.Shenzhen Longgang Vocational Technical School，Shenzhen518172，China；2.Shenzhen Institute of Technology，Shenzhen518040，China；3.College of Mechatronics and Control Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China）

In this paper，Pro/Engineer software was used to build the 3D model of lampposts，and use the model for data conversion，and MSC.Patran was used to modal analysis of lampposts after importing model.Based on the analysis results，obtained when installing lampposts around vibration frequency devices try to avoid the natural frequency of light poles to avoid resonance，and thus the use of lampposts security.

MSC.Patran；lampposts；modal Analysis；resonance

TP391.77

A

1009－9492(2014)05－0106－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.027

曾齊高，男，1984年生，江西廣豐人，碩士研究生，工程師/高級技師。研究領域：機電一體化。已發表論文5篇。

(編輯：向 飛)

2014－03－20