三角平臺振動特性的研究

丁莉+曹海琳+晏義伍+翁履謙+曾強

摘 要：平臺的類型多種多樣，廣泛應用于生產(chǎn)、建筑、生活、軍事等諸多領域。三角形平臺是最基本的平臺穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。該文采用試驗方法和數(shù)值仿真方法對三角平臺的振動特性進行了研究，獲得了平臺的固有頻率及對應的振型。比較后發(fā)現(xiàn)，數(shù)值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，可用于預測三角平臺的振動特性，為平臺結(jié)構(gòu)的設計提供指導作用。

關(guān)鍵詞：三角平臺 振動特性 應用領域

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）03（c）-0239-03

平臺結(jié)構(gòu)由于受力合理、重量輕等優(yōu)點在海洋工程、造船、航空航天、機械及結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛的應用[1-2]。平臺結(jié)構(gòu)的設計與應用都需要避免振動造成的破壞，平臺的振動特性不容忽略[3-4]。

該文選取最基本的三角形平臺作為研究對象，結(jié)合振動試驗及有限元數(shù)值仿真結(jié)果，分析三角平臺的振動特性，為平臺的動力學性能提供數(shù)據(jù)參考。

1 三角形平臺振動試驗方法

試驗使用電動振動系統(tǒng)[5]進行，該系統(tǒng)由振動試驗機，振動控制儀，功率放大器，冷卻風機，電腦系統(tǒng)和電荷式加速度傳感器構(gòu)成。電動振動臺臺體工作頻率范圍為5～4 500 Hz，最大位移為25 mm，最大速度為2 m/s，額定載荷為70 kg。傳感器的測量范圍是0.5～10 kHz。

三角平臺臺面由橡皮筋吊起，使用水平儀保證臺面的水平度，并在三角平臺臺面重心位置使用頂桿與振動臺進行連接，保證平臺臺面與振動臺的同步性，見圖1。

試驗時，先以正弦掃頻方式獲得3種不同的三角形臺面在掃頻范圍內(nèi)的固有頻率；然后使各試件在其固有頻率下定頻振動。定頻振動前，在臺面上均勻鋪滿微小顆粒物。平臺振動過程中，臺面的微小顆粒將由于振動發(fā)生運動，只有在振幅小的區(qū)域才能被保留在臺面，其余的將跌落到平臺外。因此，可以根據(jù)激振后微小顆粒物的分布情況來估計平臺臺面在其固有頻率的振動下振幅偏小的區(qū)域。

試驗選取了3種三角形平臺臺面，見圖2，編號為A、B、C，材料均為鋁板，表1給出了試驗件的尺寸。見表1。

2 三角平臺振動特性數(shù)值仿真方法

有限元方法是將連續(xù)體離散成有限個單元，求解各種初值條件的數(shù)值計算方法[6-7]。該文采用有限元方法對平臺結(jié)構(gòu)進行振動分析，圖3給出建立的三種平臺的有限元模型。采用Block Lanczos算法[8]獲得平臺的固有頻率與對應振型，該算法適用于大型對稱矩陣特征值求解問題，可以在保證精度的同時提高收斂速度。計算采用的鋁材料參數(shù)如表2所示。

3 試驗與數(shù)值仿真結(jié)果

表3給出試驗與數(shù)值仿真所得的固有頻率。比較發(fā)現(xiàn)，通過仿真得到的結(jié)果與試驗結(jié)果吻合，最大偏差為4.2%。見表3。

圖4～圖6給出三種試件試驗與數(shù)值仿真獲得的振型。數(shù)值模擬結(jié)果中藍色區(qū)域為振幅較小區(qū)域。比較發(fā)現(xiàn)，3種試件所得的試驗結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，振動后的微小顆粒所處位置都與仿真計算所得的藍色區(qū)域一致，所處位置為振幅較小處。由于試驗時無法在平臺表面滯留足夠多的顆粒，因此，試驗結(jié)果無法表征出振幅細節(jié)。而采用數(shù)值仿真方法，可以獲得平臺上每個點的振動情況，可以通過結(jié)果云圖形象地觀察到振動時振幅的分布情況。

4 結(jié)論

該文采用試驗方法與數(shù)值仿真方法對3種三角形平臺臺面的振動特性進行了研究，獲得了掃頻范圍內(nèi)的固有頻率及振型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗得出的固有頻率與有限元分析得出的固有頻率最大誤差為4.2%，對應振型結(jié)果吻合較好。通過數(shù)值仿真方法可以預測結(jié)構(gòu)的振動特性，獲得更加細致的振型云圖，能夠大量節(jié)省人力物力，指導平臺結(jié)構(gòu)的設計，提高設計效率。

參考文獻

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