某支撐臺結構特性分析

李加剛

摘 要

支撐臺是某大型實驗裝置的重要組成部分，其靜動態特性指標參數直接影響著該實驗裝置的工作可靠性。本文以該實驗裝置的支撐臺金屬結構為研究對象，基于有限元法，借助ANSYS軟件對其開展靜、動態特性分析。通過分析得出，該支撐臺金屬結構在工作載荷作用下，絕大部分區域承受的最大工作應力小于材料的許用應力。該支撐臺金屬結構的前六階模態固有頻率值分別為：32.377、32.377、51.58、73.003、142.78、142.78 Hz。

關鍵詞

支撐臺金屬結構;靜態特性;動態特性;模態分析;有限元法

中圖分類號： TH21 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.047

0 引言

支撐臺是某大型實驗裝置的重要組成部分，主要起支撐其他重要部件的作用，在工作時，支撐臺主要承受上方重物引起的垂向載荷。在垂向載荷作用下，支撐臺會出現一定程度的變形，當變形較大時會影響臺面的使用性能，同時，由于加工精度、安裝誤差等原因，支撐臺會承受來自各個方向的隨機振動，當外界振動載荷的頻率與結構的固有頻率接近時就會引發共振，嚴重影響實驗裝置的工作精度。因此，在進行支撐臺結構設計時非常有必要對其靜動態特性進行深入的分析。在以往的各類機械結構設計中，相關的工程研究人員都開展過類似的分析，并取得了一系列有益的成果。趙文濤等人[1]為了獲取了結構的固有頻率和振型，對某門式起重機的動態特性進行了分析。朱濤[2]在結構特性分析基礎上利用軟件對某橋式起重機主梁進行了優化。王帥等人[3]借助大型通用有限元軟件ANSYS對某立柱式吊車金屬結構的靜強度、靜態變形、抗傾覆穩定性等靜態特性指標進行分析。李禮夫等人[4]提出了基于靜動態特性的校車底盤車架結構多目標拓撲優化設計方法，利用Hyper Works軟件對底盤車架結構進行了多目標拓撲優化。劉傳進等人[5]利用ANSYS Workbench軟件對某高速龍門加工中心立柱的靜態與動特性進行了分析。盧正偉[6]借助有限元法對某滑動軸承座得到靜動態特性進行了分析，獲取了結構的應力云圖、位移云圖、固有頻率及五階振型。閻力等人[7]以某賽車車架為研究對象，對其進行多工況下的靜態結構與自由模態分析。鄭雷等人[8]利用Ansys軟件對某收割機底盤車架結構進行了限元分析，獲得了滿載彎曲、滿載扭曲等四種工況下的整體鋼強度特性。本文以某大型實驗裝置的支撐臺金屬結構為研究對象，利用有限元軟件ansys，對其靜、動態特性進行分析，獲取其靜強度、靜剛度、固有頻率及振型等指標參數，分析結果為該支撐臺金屬結構的后續優化設計提供了理論參考。

1 支撐臺金屬結構有限元模型

該支撐臺為某大型實驗裝置的重要組成部分，其材料為Q460，密度為7.85×10-6kg/mm3，泊松比為0.3，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強度為345MPa，進行強度校核時，取安全系數1.34，則該材料的許用應力為343MPa。

在分析前，先在有限元軟件ANSYS中建立該支撐臺金屬結構的有限元模型。建模時，為了提高分析效率，在不影響計算精度的前提下忽略了支撐臺上的倒角、螺紋連接等結構。實體模型建立后，采用solid45實體單元來模擬，整個支撐臺實體結構比較規則，因此采用映射方式對其進行網格劃分，整個模型被離散為1625個單元，2256個節點。離散后的支撐臺金屬結構有限元模型如圖1所示。

2 支撐臺金屬結構靜態特性分析結果

在建立支撐臺金屬結構有限元模型后，按照實際工作狀態對其進行約束和加載。支撐臺金屬結構的約束條件如下：支撐臺支腿部分固定安裝在地面上，故將所有支腿底部節點全約束。支撐臺工作時，主要通過臺面承受來自上方的重量，因此，計算時，將上方物體的重量以均布載荷的方式加載至臺面，通過計算得出該支撐臺金屬結構在工作載荷作用下的工作應力（如圖2所示），圖3給出了支撐臺金屬結構在工作載荷作用下的變形云圖。

從圖2可以看出，該支撐臺金屬結構在工作載荷作用下，最大應力發生在支腿和臺面連接位置，最大應力值約為785MPa，其值超過了材料的許用應力值，該區域產生較大應力主要是由應力集中現象造成，除去該應力集中區域，結構其他部分應力最大值約為300MPa，小于材料許用應力，因此，根據強度校核條件，可以認為該支撐臺金屬結構的強度是符合使用要求，只是需要在支腿和臺面連接處進行補強設計。

3 模態分析結果

基于有限元法的結構動力學分析類型有很多，應用比較廣泛的有模態分析、諧響應分析、瞬態動力學分析等，其中，模態分析主要用于求解結構的固有頻率和振型，它是開展其他類型動力學分析的基礎。

本文利用蘭斯索斯法[9]對該支撐臺金屬結構進行模態分析，來獲取該支撐臺金屬結構的固有頻率和模態振型。考慮到對結構動態特性影響較大的是低階模態，而高階模態對結構動態響應的影響相對較小，為了提高分析效率，本文在分析時定義模態提取及擴展階數為六階。表1給出了該支撐臺金屬結構的前六階固有頻率值，對應的各階振型如圖4所示。

從圖4可以看出，該支撐臺金屬結構的各階振型表現如下：第一階振型主要為支撐臺金屬結構在YZ平面內的擺動，第二階振型主要為結構在XY平面內的擺動，第三階振型主要為主梁在XZ平面內的扭轉，第四階振型主要為結構的一階彎曲振動，第五階振型和第六階振型主要為結構的二階彎曲。

4 結論

本文以某大型實驗裝置的支撐臺金屬結構為研究對象，利用有限元軟件ANSYS對該支撐臺金屬結構的靜、動態特性進行了分析，得到了該支撐臺金屬結構在工作載荷作用下的工作應力、模態固有頻率及振型等特性參數。通過分析得出如下主要結論。

（1）除去支腿和臺面連接處的應力集中區域，該支撐臺金屬結構在工作載荷作用下的最大工作應力值在300 MPa左右，小于材料的許用應力。

（2）該支撐臺金屬結構在約束狀態下的前六階固有頻率分別為32.377、32.377、51.58、73.003、142.78、142.78 Hz，對應的模態振型表現為：第1和第2階振型主要為該支撐臺金屬結構的擺動振型，第3階振型主要表現為結構的扭轉振型，第4階振型主要表現為結構的一階彎曲振型，第5和第6階振型主要表現為結構的二階彎曲振型。

參考文獻

[1]趙文濤，余峰，吳畏，等.基于ANSYS的門機金屬結構系統動態特性分析[J].機械，2018，45（4）：27-31.

[2]朱濤.基于幾何參數的橋式起重機主梁優化[J].重型機械，2018（5）：70-73.

[3]王帥，張曉玉，趙文濤，等.基于有限元法的立柱式吊車結構靜態特性分析[J]. 機械研究與應用，2019（2）：29-31.

[4]李禮夫，許樹龍.校車底盤車架結構靜動態特性拓撲優化設計研究[J].機械設計與制造，2016（5）：9-13.

[5]劉傳進，郭永海.高速龍門加工中心立柱靜態設計與動特性分析[J].現代機械，2015（4）：1-5.

[6]盧正偉.基于有限元法的滑動軸承座靜動態特性分析[J].機械研究與應用，2014（1）：33-35+38.

[7]閻力，史青錄，連晉毅.FSC賽車車架的靜態結構與模態分析[J].太原科技大學學報，2017（2）：98-103.

[8]鄭雷，周海，曾勇，等.某履帶式收割機底盤車架靜態分析與結構改進[J].機械設計與制造，2017（3）：228-232.

[9]張朝暉.ANSYS 12.0結構分析工程應用實例解析[M].3版.北京：機械工業出版社，2010.