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(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)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(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都 610106； 2.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院， 四川 成都 610066)

三角履帶支撐架作為三角履帶動(dòng)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(duì)三角履帶支撐架在三角履帶上使用時(shí)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(duì)三角履帶支撐架進(jìn)行模態(tài)分析，得到各階頻率、對(duì)應(yīng)的振型及應(yīng)變?cè)茍D，為避免發(fā)生共振及后續(xù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jī)動(dòng)性好及維修方便等特點(diǎn)，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(jìn)與作業(yè)時(shí)，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(dòng)力底盤作為一種新型的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，吸收了輪系底盤的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)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(dòng)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(gè)整體，并承受來(lái)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(duì)三角履帶支撐架進(jìn)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(duì)某三角履帶支撐架進(jìn)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(shí)際的支撐架抽象化為力學(xué)模型，既適用于計(jì)算分析，又可節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本.建模時(shí)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(jì)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(zhǎng)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(qiáng)筋長(zhǎng)為160 mm，高為170 mm；小加強(qiáng)筋長(zhǎng)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(shí)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(chǎng)變化或隨溫度場(chǎng)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(qiáng)度為250 MPa，抗壓屈服強(qiáng)度為250 MPa，拉伸極限強(qiáng)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(duì)滑動(dòng)或分離，將此區(qū)域理解成被連接在一起.最后，是對(duì)三角履帶支撐架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用ANSYS Workbench中的自動(dòng)網(wǎng)格劃分，劃分后的三角履帶支撐架具有19 172個(gè)節(jié)點(diǎn)，9 741個(gè)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(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，其主要目的是用來(lái)確定機(jī)構(gòu)的振動(dòng)頻率、振型和應(yīng)變，用于解決機(jī)構(gòu)的振動(dòng)及噪聲問題.根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，建立動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程.對(duì)于一個(gè)多自由度系統(tǒng)，其振動(dòng)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(wú)阻尼(C=0)且不添加外界載荷{F(t)=0}，式(1)可簡(jiǎn)化為，

(2)

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

(3)

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

1.4 邊界條件

按照實(shí)際工作情況對(duì)三角履帶支撐架施加邊界條件，才能保證計(jì)算的可靠性與準(zhǔn)確性.根據(jù)某型三角履帶的實(shí)際工作情況:首先，發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)輪上，為三角履帶提供動(dòng)力，同時(shí)三角履帶承受機(jī)體重力作用，據(jù)相關(guān)資料測(cè)算，單個(gè)三角履帶動(dòng)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(jìn)行求解計(jì)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(duì)應(yīng)的最大變形量為28.593mm與28.58mm，對(duì)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(shí)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(qiáng)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(huì)發(fā)生振動(dòng)疊加情況.同時(shí)，三角履帶支撐架在2 567.1Hz時(shí)動(dòng)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(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象.

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究以某型三角履帶支撐架為研究對(duì)象，利用SolidWorks軟件建立有限元三維模型，導(dǎo)入ANSYSWorkbench中對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析，得到前6階頻率及應(yīng)變?cè)茍D，較直觀反映了三角履帶工作時(shí)支撐架的動(dòng)態(tài)特性，減少了實(shí)驗(yàn)成本，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，同時(shí)為后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及振動(dòng)等問題提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).

[1]楊斗明.軍用某50型裝載機(jī)可更換三角履帶輪的設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)關(guān)鍵問題綜述[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào),2016，30(1):29-38.

[4]蔡崗礎(chǔ).油茶果采摘機(jī)三角橡膠履帶輪底盤的設(shè)計(jì)與力學(xué)分析[D].長(zhǎng)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(jī)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(jī)電一體化研究.

李 儉(1960 — )， 男， 碩士， 教授， 從事機(jī)械機(jī)構(gòu)現(xiàn)代設(shè)計(jì)研究.

U469.6+94；TH213.7

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