基于ANSYS的搗固鎬手持裝置模態分析與優化＊

肖文劍，倪正順，吳吉平，沈 超，熊凱旋

（湖南工業大學 機械工程學院，湖南 株洲 412007）

自從中國鐵路完善后，鐵路路段養護也就成為了鐵路工作運營可持續發展的重要環節。養路機械上，不是所有線路及所有線路環境都適應大型養路機械作業。搗固機械分為機械式、電動式、液壓式，本文主要討論機械式，其常廣泛用于各種低頻場合，機械式又分為離心式和直接作用式[1]。2013年，美國的Josef Theurer和Hebert Woergoetter一起針對搗固鎬鎬頭作出了優化設計。以內燃機為動力的手提直動搗固鎬不受電力影響，其操作方便，質量輕，但卻依然存在壽命短、噪聲大、操作者手感差等問題，從而容易使得操作者出現疲倦、記憶力下降、耳鳴、視線模糊、手指末梢神經和血管損傷等一系列癥狀。國內外有關振動對于人體的影響研究，主要集中在人體力覺敏感度和振動引起的人體傷害2個方面[2]。本文主要研究的是手提直動搗固鎬中手持裝置的模態，為設計者避開這些頻率或最大限度地減少在這些頻率上的激勵，從而避免產生共振、局部疲勞破壞和振動噪聲異常等，提高搗固鎬的使用舒適感和穩定性。

1 模態分析的基礎理論

模態分析是研究結構動力特性的一種方法，在工程振動領域中應用廣泛。其中，“模態”指的是機械結構固有的振動特性，每一個模態都有其特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。本文模態分析討論的是線性系統，且假設系統是定常與穩定的，即線性時不變系統。“線性”是指描述系統的微分方程為線性方程，其響應對激勵具有疊加性[3]。

由于固有頻率受結構阻尼的影響很小，所以在求固有頻率和振型時不考慮阻尼。本文是在多自由度下的無阻尼情況下進行分析的。

在自由振動并無阻尼的振動微分方程為：

式（1）中：u˙˙為加速度列陣；u為位移列陣。

在諧振動并無阻尼的情況下，即u=Usin（ωt）時，微分方程為：

式（2）中：K為剛度矩陣；M為質量矩陣。

對于模態分析，振動頻率ωi和模態φi是由上面的方程計算求出的[4]。

2 手提直動搗固鎬手持裝置的模態分析

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內置的三維建模插件，而是用Pro/ENGINEER來對手持裝置建立三維模型。模型建立完成后，為了與ANSYS軟件對接，這里用Pro/ENGINEER軟件將所建立模型保存為IGES格式。將其導入ANSYS后，如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

2.2 有限元網格劃分

在材料庫中添加材料屬性，手持裝置材質為Structural Steel，密度800 kg/m3，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比μ＝0.3，由于僅有結構的質量分布和剛度會影響到固有頻率和振型，所以模態分析時使用比較均勻的網格，減少數值計算誤差，網格劃分選取智能劃分，選用solid8node185單元進行單元網格的劃分，求解模態數設為6階，劃分完成共產生節點4 553個，單元2 032個。手持裝置網格劃分見圖2.

圖2 網格劃分圖

2.3 求解和結果分析

由模態分析理論可得，低階時的振動對結構的影響要遠大于高階時的振動。在這里只計算出前6階的固定頻率，并對其進行分析。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，具體情況見圖3.其中，手扶桿為裝置上端延X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階模態振型圖

手提直動搗固鎬的激勵源主要有ZENOAH G4LS內燃機，內燃機轉速可調。內燃機的額定轉速為7 000 r/min，由實際操作過程可知，當內燃機轉速大約為6 500 r/min時，手持裝置傳遞的振感最大，內燃機產生的激振頻率為6 500/60＝108 Hz，根據上述外界激振頻率可得出共振問題的判斷。內燃機的激振頻率為108 Hz，與手持裝置的第4階固有頻率114.68 Hz非常接近，有可能會引起手持裝置的共振。共振的產生會對機械結構造成嚴重的變形和引起動應力，因此需要對第4階固有頻率下產生變形較大的部位進行優化設計。

3 手持裝置優化及模態分析

對第4階固有頻率下發生過大變形的部分作了優化處理，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的基礎上加大了10 mm，并對其過渡部分作了圓角處理，使得裝置整體諧調。再將優化后的3D模型導入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 優化后第4階模態振型圖

在此只給出了優化后的第4階模態振型圖，如圖4所示，其他階的頻率和振型描述由上面圖片呈現。通過對比手持裝置優化前后的前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，優化后的第4階固有頻率為92.552 Hz，避開了與內燃機的激振頻率108 Hz相接近，避免了共振，同時也使得操作體驗感更好。

4 結束語

本文先后使用了Pro/ENGINEER對搗固鎬手持裝置進行了3D模型的建立，使用ANSYS軟件中的Workbench插件，對手提直動搗固鎬中手持裝置進行了模態分析，得到了在工作狀態下手持裝置的固有頻率和振型。由各階模態下，得知在第4階的固有頻率與內燃機的激振頻率接近，為了避免手持裝置與內燃機共振，對相應部位作了優化處理，將共振區域由原來的直徑20 mm增加為32 mm，使得第4階模態下的頻率降低為92.552 Hz，避免了共振的發生。分析出的結果為設計者在手持直動搗固鎬的使用操作體驗方面的優化、振動特性和結構優化方面提供了理論依據。

［1］劉毅，龔國芳，閔超慶.搗固機械激振技術現狀與展望［J］.機械工程學報，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，楊光.受振動影響的手部操作仿真與操作精度研究［J］.圖學學報，2015，36（4）：644-649.

［4］曹樹謙，張文德，蕭龍翔.振動結構模態分析——理論、實驗、與應用［M］.第2版.天津：天津大學出版社，2014.