基于ANSYS的搗固鎬手持裝置模態(tài)分析與優(yōu)化＊

肖文劍，倪正順，吳吉平，沈 超，熊凱旋

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

自從中國(guó)鐵路完善后，鐵路路段養(yǎng)護(hù)也就成為了鐵路工作運(yùn)營(yíng)可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。養(yǎng)路機(jī)械上，不是所有線(xiàn)路及所有線(xiàn)路環(huán)境都適應(yīng)大型養(yǎng)路機(jī)械作業(yè)。搗固機(jī)械分為機(jī)械式、電動(dòng)式、液壓式，本文主要討論機(jī)械式，其常廣泛用于各種低頻場(chǎng)合，機(jī)械式又分為離心式和直接作用式[1]。2013年，美國(guó)的Josef Theurer和Hebert Woergoetter一起針對(duì)搗固鎬鎬頭作出了優(yōu)化設(shè)計(jì)。以?xún)?nèi)燃機(jī)為動(dòng)力的手提直動(dòng)搗固鎬不受電力影響，其操作方便，質(zhì)量輕，但卻依然存在壽命短、噪聲大、操作者手感差等問(wèn)題，從而容易使得操作者出現(xiàn)疲倦、記憶力下降、耳鳴、視線(xiàn)模糊、手指末梢神經(jīng)和血管損傷等一系列癥狀。國(guó)內(nèi)外有關(guān)振動(dòng)對(duì)于人體的影響研究，主要集中在人體力覺(jué)敏感度和振動(dòng)引起的人體傷害2個(gè)方面[2]。本文主要研究的是手提直動(dòng)搗固鎬中手持裝置的模態(tài)，為設(shè)計(jì)者避開(kāi)這些頻率或最大限度地減少在這些頻率上的激勵(lì)，從而避免產(chǎn)生共振、局部疲勞破壞和振動(dòng)噪聲異常等，提高搗固鎬的使用舒適感和穩(wěn)定性。

1 模態(tài)分析的基礎(chǔ)理論

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，在工程振動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。其中，“模態(tài)”指的是機(jī)械結(jié)構(gòu)固有的振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)都有其特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。本文模態(tài)分析討論的是線(xiàn)性系統(tǒng)，且假設(shè)系統(tǒng)是定常與穩(wěn)定的，即線(xiàn)性時(shí)不變系統(tǒng)?！熬€(xiàn)性”是指描述系統(tǒng)的微分方程為線(xiàn)性方程，其響應(yīng)對(duì)激勵(lì)具有疊加性[3]。

由于固有頻率受結(jié)構(gòu)阻尼的影響很小，所以在求固有頻率和振型時(shí)不考慮阻尼。本文是在多自由度下的無(wú)阻尼情況下進(jìn)行分析的。

在自由振動(dòng)并無(wú)阻尼的振動(dòng)微分方程為：

式（1）中：u˙˙為加速度列陣；u為位移列陣。

在諧振動(dòng)并無(wú)阻尼的情況下，即u=Usin（ωt）時(shí)，微分方程為：

式（2）中：K為剛度矩陣；M為質(zhì)量矩陣。

對(duì)于模態(tài)分析，振動(dòng)頻率ωi和模態(tài)φi是由上面的方程計(jì)算求出的[4]。

2 手提直動(dòng)搗固鎬手持裝置的模態(tài)分析

2.1 手持裝置三維模型建立

由于軟件的使用便捷操作性，本文未采用ANSYS內(nèi)置的三維建模插件，而是用Pro/ENGINEER來(lái)對(duì)手持裝置建立三維模型。模型建立完成后，為了與ANSYS軟件對(duì)接，這里用Pro/ENGINEER軟件將所建立模型保存為IGES格式。將其導(dǎo)入ANSYS后，如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

2.2 有限元網(wǎng)格劃分

在材料庫(kù)中添加材料屬性，手持裝置材質(zhì)為Structural Steel，密度800 kg/m3，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比μ＝0.3，由于僅有結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布和剛度會(huì)影響到固有頻率和振型，所以模態(tài)分析時(shí)使用比較均勻的網(wǎng)格，減少數(shù)值計(jì)算誤差，網(wǎng)格劃分選取智能劃分，選用solid8node185單元進(jìn)行單元網(wǎng)格的劃分，求解模態(tài)數(shù)設(shè)為6階，劃分完成共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)4 553個(gè)，單元2 032個(gè)。手持裝置網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2.

圖2 網(wǎng)格劃分圖

2.3 求解和結(jié)果分析

由模態(tài)分析理論可得，低階時(shí)的振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響要遠(yuǎn)大于高階時(shí)的振動(dòng)。在這里只計(jì)算出前6階的固定頻率，并對(duì)其進(jìn)行分析。分析完成后，在AWE界面下“Tabular Date”觀察器中提取前6階固有頻率和振型，具體情況見(jiàn)圖3.其中，手扶桿為裝置上端延X(jué)軸方向的兩根桿；手扶前桿為裝置上端用于連接的手扶桿，為延Y軸方向的一根桿；垂直桿為連接手扶桿且延Z軸方向的兩根桿。

圖3 4階模態(tài)振型圖

手提直動(dòng)搗固鎬的激勵(lì)源主要有ZENOAH G4LS內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)。內(nèi)燃機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為7 000 r/min，由實(shí)際操作過(guò)程可知，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速大約為6 500 r/min時(shí)，手持裝置傳遞的振感最大，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的激振頻率為6 500/60＝108 Hz，根據(jù)上述外界激振頻率可得出共振問(wèn)題的判斷。內(nèi)燃機(jī)的激振頻率為108 Hz，與手持裝置的第4階固有頻率114.68 Hz非常接近，有可能會(huì)引起手持裝置的共振。共振的產(chǎn)生會(huì)對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的變形和引起動(dòng)應(yīng)力，因此需要對(duì)第4階固有頻率下產(chǎn)生變形較大的部位進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 手持裝置優(yōu)化及模態(tài)分析

對(duì)第4階固有頻率下發(fā)生過(guò)大變形的部分作了優(yōu)化處理，采用了加大直徑的方法，將手持裝置前桿紅色部分的直徑在原來(lái)的基礎(chǔ)上加大了10 mm，并對(duì)其過(guò)渡部分作了圓角處理，使得裝置整體諧調(diào)。再將優(yōu)化后的3D模型導(dǎo)入ANSYS做與之前步驟同樣的處理，得出前6階固有頻率和振型。

圖4 優(yōu)化后第4階模態(tài)振型圖

在此只給出了優(yōu)化后的第4階模態(tài)振型圖，如圖4所示，其他階的頻率和振型描述由上面圖片呈現(xiàn)。通過(guò)對(duì)比手持裝置優(yōu)化前后的前6階固有頻率和振型得知，手持裝置前桿部位直徑加大10 mm，其第5，6階的固有頻率有所增大，第1，2，3，4階的固有頻率均有所減小，優(yōu)化后的第4階固有頻率為92.552 Hz，避開(kāi)了與內(nèi)燃機(jī)的激振頻率108 Hz相接近，避免了共振，同時(shí)也使得操作體驗(yàn)感更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文先后使用了Pro/ENGINEER對(duì)搗固鎬手持裝置進(jìn)行了3D模型的建立，使用ANSYS軟件中的Workbench插件，對(duì)手提直動(dòng)搗固鎬中手持裝置進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了在工作狀態(tài)下手持裝置的固有頻率和振型。由各階模態(tài)下，得知在第4階的固有頻率與內(nèi)燃機(jī)的激振頻率接近，為了避免手持裝置與內(nèi)燃機(jī)共振，對(duì)相應(yīng)部位作了優(yōu)化處理，將共振區(qū)域由原來(lái)的直徑20 mm增加為32 mm，使得第4階模態(tài)下的頻率降低為92.552 Hz，避免了共振的發(fā)生。分析出的結(jié)果為設(shè)計(jì)者在手持直動(dòng)搗固鎬的使用操作體驗(yàn)方面的優(yōu)化、振動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面提供了理論依據(jù)。

［1］劉毅，龔國(guó)芳，閔超慶.搗固機(jī)械激振技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49（16）：138-146.

［2］Josef Theurer，Hebert Woergoetter.Tamping pick：United States，US 9，238，892 B2［P］.2016-01-19.

［3］王冬陽(yáng)，楊光.受振動(dòng)影響的手部操作仿真與操作精度研究［J］.圖學(xué)學(xué)報(bào)，2015，36（4）：644-649.

［4］曹樹(shù)謙，張文德，蕭龍翔.振動(dòng)結(jié)構(gòu)模態(tài)分析——理論、實(shí)驗(yàn)、與應(yīng)用［M］.第2版.天津：天津大學(xué)出版社，2014.