基于ANSYS Workbench多瓣抓斗的模態分析

朱帥， 文學洙

（延邊大學機械工程學科，吉林延吉133002）

0 引言

本文主要對多瓣抓斗顎板進行研究，顎板是多瓣抓斗的關鍵承載部件。多瓣抓斗在工作時，顎板抓取物料承受著復雜的動載荷，顎板會產生振動［1］。為了保證顎板在工作中能夠有較好的性能，避免顎板在運動時受外界力作用產生共振，造成對其本身的破壞，有必要對顎板進行模態分析［2］。本文利用ANSYS Workbench有限元分析軟件分析了抓斗機構顎板的固有頻率和振型，為今后顎板的設計提供了有效的參考依據。

1 抓斗顎板模態的分析過程

1.1 有限元模型的建立

ANSYS Workbench和三維軟件SolidWorks具有直接的雙向接口，可以在SolidWorks中建立三維模型后直接打開ANSYS Workbench進行有限元分析，如圖1所示。

圖1 抓斗顎板的三維模型

1.2 添加材料的信息

多瓣抓斗的顎板裝置的材料為Q235鋼，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為235 MPa，抗拉強度為375～460 MPa，密度為7.85×103kg/m3。

1.3 網格劃分

在ANSYS Workbench中使用計算精度較高的六面體網格劃分。生成的網格模型共有節點數45234個，單元數12037，單元尺寸20 mm，網格類型為：mesh200［3］。

1.4 施加的約束邊界

在抓取物料的時候，顎板臂前鉸鏈孔與下承梁形成轉動副，后鉸鏈孔與撐桿形成轉動副。即在顎板臂的前后鉸鏈孔處添加4個旋轉約束。

2 模態分析

顎板的模態分析就是分析顎板的振動特性，得到其固有頻率和振型的過程。本文以顎板約束模態為例，由于低階振型對顎板結構的振動影響較大，對其動態特性起著重要的作用［4］。需要得到顎板的前10階固有頻率和振型情況。表1所示為前10階模態的頻率和最大變形量。

表1 前10階固有頻率及最大變形量

顎板的前10階模態分析圖，如圖2～圖11所示。

圖2 顎板第1階模態分析

從前兩階固有頻率可以看出，顎板的固有頻率比較低，尤其是第1階比較低，前3階振型為整體振型，顎板的變形量不是很大。但是從第4階起振型幅度開始增大，最大變形量也開始增大。從第6階以后是主要的薄弱模態，局部振型變化明顯，變形量變化明顯，這表明該顎板局部剛度較低，所以有必要對顎板的顎鏟壁厚進行設計，使局部剛度得到提高。第7階到第8階之間的頻率差最大，而這個范圍是顎板與各振源頻率避開共振的最好位置。

圖3 顎板第2階模態分析

圖4 顎板第3階模態分析

圖5 顎板第4階模態分析

圖6 顎板第5階模態分析

圖7 顎板第6階模態分析

圖8 顎板第7階模態分析

圖9 顎板第8階模態分析

圖10 顎板第9階模態分析

圖11 顎板第10階模態分析

3 結論

1）通過對顎板有限元分析求得10階模態，從而檢查產品設計的合理性。2）通過對顎板的模態分析可以非常直觀地表現出產品的動態特性和薄弱環節，為顎板的結構設計、制造提供了參考數據。3）通過對顎板的模態分析可診斷顎板的故障，如根據振型的分析可以確定其斷裂的位置。

［1］ 李治國.抓斗式挖掘裝置虛擬樣機設置［D］.呼和浩特：內蒙古農業大學，2007：35-36.

［2］ 沈卓.高抓取比耙剪式抓斗研究［D］.上海：上海海事大學，2005：47-49.

［3］ 何俊，賴玉活，唐清春，等.基于ANSYS Workbench12的床身模態分析［J］.中國新技術新產品，2011（14）：121-124.

［4］ 劉俊梅，于曉龍.大型抓斗式挖泥船有限元法結構優化設計［J］.中國水運：下半月，2013（1）：89-91.