基于ANSYS Workbench的三角履帶支撐架模態(tài)分析

王攀然， 李 儉， 鄧女原媛， 劉小譚， 熊美玲， 饒 雄

(1.成都大學(xué) 機械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院， 四川 成都 610066)

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基于ANSYS Workbench的三角履帶支撐架模態(tài)分析

王攀然1， 李 儉1， 鄧女原媛1， 劉小譚2， 熊美玲1， 饒 雄1

(1.成都大學(xué) 機械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院， 四川 成都 610066)

三角履帶支撐架作為三角履帶動力底盤最為重要的支撐裝置之一，其性能好壞在一定程度上影響著三角履帶底盤的使用壽命.針對三角履帶支撐架在三角履帶上使用時容易產(chǎn)生的共振及疲勞等問題，應(yīng)用SolidWorks建立三角履帶支撐架有限元模型，借助ANSYS Workbench 有限元軟件對三角履帶支撐架進行模態(tài)分析，得到各階頻率、對應(yīng)的振型及應(yīng)變云圖，為避免發(fā)生共振及后續(xù)結(jié)構(gòu)改進等研究提供有效的理論基礎(chǔ).

三角履帶支撐架；模態(tài)分析；有限元；ANSYS Workbench

0 引 言

傳統(tǒng)輪系底盤車輛具有行駛速度快、機動性好及維修方便等特點，能夠滿足在一般路面上的作業(yè)需求，但在沙土、泥濘與冰雪等特殊路面行進與作業(yè)時，其車胎容易發(fā)生打滑、下陷甚至導(dǎo)致車輛重心不穩(wěn)等情況[1]，從而影響車輛的正常工作.三角履帶動力底盤作為一種新型的動力機構(gòu)，吸收了輪系底盤的優(yōu)點，增大了與地面的接觸面積，減小了接地比壓，可以在泥濘沙土道路上低速作業(yè)，在工業(yè)與農(nóng)業(yè)機械上被廣泛使用[2-3].由于三角履帶底盤在土壤上作業(yè)，支撐力、阻力與速度損失等變化很大[4]，而支撐架作為三角履帶動力底盤最為重要的支撐裝置，是三角履帶底盤的重要結(jié)構(gòu)部件，其作用是將各相關(guān)部件連接成一個整體，并承受來自三角履帶系統(tǒng)內(nèi)外的各種載荷[5]，它的性能好壞在一定程度上影響著三角履帶底盤的使用壽命.為此，本研究擬采用ANSYS分析軟件與有限元分析方法[6]，對三角履帶支撐架進行有限元模態(tài)分析，確定其各階頻率及振型，為三角履帶支撐架結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相關(guān)數(shù)據(jù).

1 基于ANSYS Workbench的有限元模態(tài)分析

1.1 有限元模型建立

在對某三角履帶支撐架進行有限元模態(tài)分析前，本研究首先建立三角履帶支撐架的有限元模型，把實際的支撐架抽象化為力學(xué)模型，既適用于計算分析，又可節(jié)約實驗成本.建模時可以直接使用ANSYS Workbench里面的Design modeler，也可以使用其他三維軟件，如UG、Catia、Pro/e或者SolidWorks等.在建模后，導(dǎo)入ANSYS Workbench中.采用SolidWorks建立的某型三角履帶裝配圖如圖1所示.

圖1 某型三角履帶裝配圖

本設(shè)計充分考慮了履帶各執(zhí)行部件之間的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確立并繪出如圖2所示的三角履帶支撐架，其參數(shù)如下：支撐架長為750 mm，高為515 mm，寬為295 mm；支撐板外圓徑為330 mm，支撐板內(nèi)圓徑為179 mm；螺栓孔直徑為11 mm；大加強筋長為160 mm，高為170 mm；小加強筋長為160 mm，高為80 mm；支撐架殼厚均為15 mm.

1.2 材料屬性與網(wǎng)格劃分

前處理是ANSYS Workbench必不可少的部分.首先，需在Workbench的Engineering Data中定義三角履帶支撐架的材料屬性.根據(jù)實際應(yīng)用的不同，材料屬性可以取值為線性或非線性，以及不隨溫度場變化或隨溫度場變化.本研究三角履帶支撐架采用的是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，相關(guān)參數(shù)為：彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3，受拉屈服強度為250 MPa，抗壓屈服強度為250 MPa，拉伸極限強度為460 MPa.其次，定義各接觸面采用綁定(Bonded)接觸，即不允許面或線間有相對滑動或分離，將此區(qū)域理解成被連接在一起.最后，是對三角履帶支撐架進行網(wǎng)格劃分，采用ANSYS Workbench中的自動網(wǎng)格劃分，劃分后的三角履帶支撐架具有19 172個節(jié)點，9 741個單元，具體如圖3所示.

圖2 三角履帶支撐架

圖3 三角履帶支撐架網(wǎng)格圖

1.3 模態(tài)分析理論

模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，其主要目的是用來確定機構(gòu)的振動頻率、振型和應(yīng)變，用于解決機構(gòu)的振動及噪聲問題.根據(jù)達朗貝爾原理，建立動力學(xué)運動方程.對于一個多自由度系統(tǒng)，其振動方程如下，

(1)

在線性系統(tǒng)的模態(tài)分析中，理論上假設(shè)無阻尼(C=0)且不添加外界載荷{F(t)=0}，式(1)可簡化為，

(2)

由于線彈性系統(tǒng)自由振動可分解成一系列簡諧振動的疊加，那么位移x=Xsin(ωt),則，

(3)

式中，{Φi}為各節(jié)點位移的振動幅度向量，即結(jié)構(gòu)的固有振幅；wi為與固有振幅對應(yīng)的結(jié)構(gòu)固有頻率.

1.4 邊界條件

按照實際工作情況對三角履帶支撐架施加邊界條件，才能保證計算的可靠性與準(zhǔn)確性.根據(jù)某型三角履帶的實際工作情況:首先，發(fā)動機通過鏈傳動將動力傳遞到驅(qū)動輪上，為三角履帶提供動力，同時三角履帶承受機體重力作用，據(jù)相關(guān)資料測算，單個三角履帶動力為8 000 N，承受重力為800 N；其次，三角履帶支撐架與各零件螺栓固定連接.

2 求解與分析

完成所有前處理后，利用分析軟件進行求解計算，得到三角履帶支撐架前6階頻率與振型.各階頻率如表1所示，其前6階模態(tài)振型圖如圖4所示.

表1 前6階模態(tài)分析頻率參數(shù)

圖4 前6階振型圖

由分析結(jié)果可知，三角履帶支撐架1、2階模態(tài)振型，最大變形量發(fā)生在支撐架左右兩側(cè)，分別向內(nèi)側(cè)彎曲，中心位置不變，對應(yīng)的最大變形量為28.593mm與28.58mm，對應(yīng)的三角履帶頻率為1 671.5Hz與1 678.1Hz；3階模態(tài)振型位移發(fā)生在支撐架底部，向Y方向凸起，最大變形量為25.238mm，頻率為2 493.1Hz；4階模態(tài)振型最大變形發(fā)生在支撐架中心，向X方向凸起，同時兩側(cè)翼向內(nèi)側(cè)彎曲，最大變形量為13.584mm，頻率為2 567.1Hz； 5階模態(tài)振型最大變形發(fā)生在同側(cè)側(cè)翼與加強筋邊緣，向Z方向彎曲，變形量為16.258mm，頻率為2 614.1Hz； 6階模態(tài)振型以支撐架中心向X方向凸起為主，最大變形量為20.657mm，頻率為2 768.3Hz.模態(tài)分析結(jié)果表明，三角履帶支撐架頻率隨著階次增加而增加，各階頻率相差較大，不會發(fā)生振動疊加情況.同時，三角履帶支撐架在2 567.1Hz時動態(tài)特性較差，各區(qū)域變形較為明顯，應(yīng)避免三角履帶支撐架在此頻率附近工作時發(fā)生共振現(xiàn)象.

3 結(jié) 語

本研究以某型三角履帶支撐架為研究對象，利用SolidWorks軟件建立有限元三維模型，導(dǎo)入ANSYSWorkbench中對模型進行模態(tài)分析，得到前6階頻率及應(yīng)變云圖，較直觀反映了三角履帶工作時支撐架的動態(tài)特性，減少了實驗成本，縮短了實驗周期，同時為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及振動等問題提供了實驗依據(jù).

[1]楊斗明.軍用某50型裝載機可更換三角履帶輪的設(shè)計與仿真分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2016.

[2]劉澤旭,王立海,孫天用,等.輪式與三角履帶式集材機的爬坡性能比較[J].林業(yè)科技開發(fā),2014，28(6):79-83.

[3]呂凱,穆希輝,杜峰坡,等.重載三角橡膠履帶輪設(shè)計關(guān)鍵問題綜述[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報,2016，30(1):29-38.

[4]蔡崗礎(chǔ).油茶果采摘機三角橡膠履帶輪底盤的設(shè)計與力學(xué)分析[D].長沙：中南林業(yè)科技大學(xué),2014.

[5]牟偉杰,楊俊智,陳建業(yè),等.基于ANSYSWorkbench電源車骨架模態(tài)分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2010，10(22):5592-5594.

[6]朱瑜,鄭俊,羅洋,等.基于ANSYSWorkbench的起壟刀軸模態(tài)分析[J].機械工程師,2016，48(2):100-102.

Modal Analysis of Triangular Crawler Support Frame on ANSYS Workbench

WANGPanran1，LIJian1，DENGYuanyuan1，LIUXiaotan2，XIONGMeiling1，RAOXiong1

(1.School of Mechanical Engineering ,Chengdu University, Chengdu 610106, China；2.Sichuan Research and Design Institute of Agricultural Machinery, Chengdu 610066, China)

Triangular crawler support frame is one of the most important supporting devices of triangular crawler dynamic chassis, so its performance affects the service life of the triangular crawler chassis to a certain extent.The triangular crawler support frame easily causes resonance and fatigue problems during its use in the triangular crawler.Therefore,the paper uses SolidWorks to set up the triangular crawler support frame finite element model and uses ANSYS finite element software workbench to do a modal analysis on the triangular crawler support frame to get the frequencies at different stages,corresponding vibration modes and corresponding strain nephogram so as to provide a theoretical basis to avoid resonance and for subsequent structural improvement.

triangular crawler support frame;modal analysis;finite element;ANSYS Workbench

1004-5422(2017)02-0192-03

2017-04-27.

王攀然(1991 — )， 男， 碩士研究生， 從事機電一體化研究.

李 儉(1960 — )， 男， 碩士， 教授， 從事機械機構(gòu)現(xiàn)代設(shè)計研究.

U469.6+94；TH213.7

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