基于有限元法的立式泵底座模態分析

王俊麟，魏凌霄，袁曉波，范祖相，周慶

（上海齊耀動力技術有限公司，上海 201203)

模態分析是結構動力學仿真分析中的重要環節，能夠很好地通過仿真分析得出結構的各階模態特性，進而分析結構在實際工程應用過程中產生的實際振動情況，是工程設計中重要的分析手段。模態分析能夠有效提升了設計質量，直接降低設計成本。

目前，國內相關結構振動分析采用有限元模態分析方法較多，從設計角度解決了避免結構共振的問題，北京工業大學萬山秀等人在復合材料車架的模態分析中通過對車架加載不同邊界條件，分析其一階至十階模態及模態振型，初步評價整體結構發生共振，并做了性能評估。重慶交通大學楊雅怡等在汽車頂棚振動特性的研究及優化中通過模態分析等途徑分析其動力學特性，解決汽車頂棚低頻振動大的問題，并通過聲振耦合等方法在模態分析的基礎上進行聲學分析，并提出了汽車頂棚的設計改進方法。

本文是基于原有水泵試驗臺底座進行振動特性分析，原有水泵試驗臺底座（如圖1所示）有如下問題：泵運行過程中發現45～55Hz頻段振動大，初步分析原因是底座結構模態頻率與水泵轉頻，設計不合理，需要分析底座的固有頻率和模態特性，進而提出解決方案。

1 邊界條件設定

原底座由四個H鋼和一個底板組成，底座上表面為安裝面，底座長寬高為840mm×700mm×1381mm，重量為305kg。

圖1 原底座模型

采用Creo2.0軟件對原底座進行建模，原底座與地面通過螺栓固定，四個螺栓固定部位為固定約束，底座上方安裝面用于支撐水泵，水泵重量約150kg，如圖1所示。

2 原底座模態仿真分析

通過有限元軟件對原底座模型進行網格劃分，網格寬度為20mm，并通過靜力學分析對模型進行數值模擬仿真，分析原底座的模態特性和模態振型。

通過模態分析，分析其前12階模態參數，模態參數詳見表1。

表1 原底座模態參數 Hz

從表1可以看出，原底座在4～6階頻率處存在典型振型，主要振型如圖2所示。

其安裝面振動變形最大，直接影響水泵運行，與水泵轉頻（50Hz）產生共振。

3 底座優化改進

原底座在低頻附近存在振型，提高底座剛度可以提高底座的振動頻率，對底座提出改進方案，在底座四個H鋼四周側面增加筋板，增加水平方向和上部的穩定性，改進后的模型如圖4所示，改進后外形尺寸保持不變，重量為344kg。

圖2 原底座在50Hz附近的振型

圖3 改進后底座模型

采用同樣的模態分析方法對改進后底座進行數值仿真分析，即給定邊界條件為四個螺栓固定部位為固定約束，改進后底座前12階模態參數，模態參數詳見表2。

表2 改進底座模態參數 Hz

從表2可以看出，增加底座四周筋后，整體結構的剛度增強，振動頻率避開了50Hz，和水泵轉頻不產生共振，改進底座一階振動頻率67.1Hz處振型如圖4所示，由圖4可以看出，底座整體結構穩定，能夠為水泵穩定運行提供保障。

圖4 改進后底座應力分布

4 結語

本文采用模態分析的方法對水泵底座的振動振型和頻率進行分析，結合實際使用工況，提出了改進方案，改進后的底座由于剛性提高，整體振動頻率大幅度提高，通過振型可以看出，離50Hz最近的一階振型整體振型平穩。

本文提供的方法可以廣泛應用于水泵底座設計，通過模態分析，分析底座振型和水泵典型頻率是否存在共振，據此判斷底座設計是否合理。