基于ANSYS和實驗的懸臂薄板模態分析

程亮亮 張盼龍 陳玉剛

摘?要：運用ANSYS 軟件對某懸臂薄板進行了模態分析，得到了懸臂薄板的前10階固有頻率和振型，確定了懸臂薄板的振動特性，模態分析提供了研究各種實際結構振動的一條有效途徑，從而為以后應用過程中提供了依據。

關鍵詞：Ansys模態分析懸臂薄板振型

中圖分類號：TH69 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）10（a）-0126-01

懸臂薄板的固有特性，在一定程度上可以模擬和反應航空發動機葉片的固有特性。因而，研究懸臂薄板的固有特性在航空領域具有很重大的意義。鑒于發動機葉片的振動疲勞故障的不斷出現，發動機葉片的振動問題越來越得到研究學者的關注。葉片是航空發動機的重要零、部件之一，其工作可靠性直接影響發動機的正常運行和飛行安全。在一般情況下，葉片屬于無限壽命設計的零件，即在發動機全壽命期間，葉片不會因為到壽而損壞。但是在航空發動機的工作過程中，葉片起著氣體熱能、壓力能與氣體動能相互轉化媒介的作用。鑒于此特殊功能的關系，葉片的承載情況十分復雜，工作條件十分惡劣。其承受較高的離心力、氣動力、振動應力、溫度應力和介質等的綜合作用[1]。因此，對懸臂薄板的研究在航空領域具有重大的意義。

1懸臂薄板有限元分析

在SOLID單元分析中，分別建立體模型、面模型，以便分析不同的網格劃分方式對結果的影響；在SHELL單元分析中，建立面模型進行分析，利用單元不同的厚度實常數設置對懸臂薄板的厚度進行分析。

對于薄板結構，可以使用SOLID45、SOLID95、SOLID185、SOLID186等類型的單元進行建模。SOLID45和SOLID185用于建立三維實體結構模型。該單元由八個節點定義，每個節點有3個自由度：節點坐標系的x、y、z方向的平動。

定義好材料屬性后就要對模型進行網格劃分。網格劃分時網格密度要選擇適中，太密影響分析模型的速度，太疏降低分析的精度[2]。

根據上述懸臂薄板有限元建模方法建立響應的計算模型，采用Block Lanczos方法進行模態分析。

2 模態分析

模態分析需要指定模態提取方法，模態提取階數，模態擴展的階數、和求解頻率范圍等。ANSYS 中有7種求解模塊，由于Lanczos法被認為是目前求解大型特征值問題最有效的方法，它具有求解精度高，計算速度快的特點，本文選擇其中的BLOCKLANCZOS 方法求解[3]。擴展模態計算設置，懸臂薄板的自由振動可以表示為各階固有振型的線性組合。

3 計算結果與分析

從計算結果以及實驗結果可以分析得到：懸臂薄板低階振動主要是以簡單的彎、扭來加以描述或者采用半波數的方式來描述[4]。

4結語

本文借助有限元分析軟件ANSYS 以及實驗進行了某一懸臂薄板的固有頻率、固有振型的分析。獲得了此懸臂薄板前4階的固有頻率和固有振型，為航空發動機葉片類的優化設計奠定了基礎。

參考文獻

[1]柳海龍.復雜邊界約束條件下發動機葉片的固有振動特性研究[D].南京航空航天大學，2007.

[2]何勇.基于ANSYS的航空發動機壓氣機盤模態分析[J].機械制造與自動化，2012（1）.

[3]周鵬，胡予立，張小軍.基于ansys的壓氣機盤模態分析[J].機械設計與制造，2005，25（6）：61-62.

[4]曹志遠.板殼振動理論[M].北京：中國鐵道出版社，1989.