基于ANSYS的某機場飛行區地井頂蓋模態分析

李雪剛，涂思東，傅 博，高曉輝，林 森，劉曉東

(北京首都機場節能技術服務有限公司，北京 100020)

0 引言

目前城市的建設飛速發展，與其相關的地下給排水工程、地下運輸工程也變得逐漸復雜，使得地井的需求量逐年增加，其分布也越來越廣泛。對于飛行來說，機場飛行區的清潔與污水處理同樣也依靠地井來完成。而飛機和地面車輛所產生的振動頻率，是地井設計時所需要考慮的重要因素[1，2]。

交通工具在路面上行駛時，由于地面不完全平整隨之發生振動，此時地井頂蓋會受到激振[3]。為避免發生共振，有必要對地井頂蓋進行模態分析得出其固有頻率，便于在結構設計時避開發生共振的區域與模態值。

1 模態分析計算

本文將通過各階頻率的大小和分布，分析井蓋的固有特性，進而判斷結構的薄弱位置。基于達朗貝爾原理[4]，以地井頂蓋為研究對象，建立其動力學微分方程：

(1)

當阻尼較小時，阻尼對于井蓋固有頻率的影響就微乎其微，即無阻尼運動。在求解井蓋的自由模態固有頻率時，阻尼與外部載荷可忽略不計，則式(1)可簡化為：

(2)

井蓋的運動可視為簡諧運動，于是有：

{x}={u}cosωt.

(3)

其中：{u}為振幅列向量；ω為固有頻率。將式(3)代入式(2)有：

([K]-ω2[M]){u}=0.

(4)

而且在井蓋做簡諧運動時，每個節點的振幅不同時為0，則系統振動方程為：

|[K]-ω2[M]|=0.

(5)

最終求得模態頻率為：

(6)

2 基于ANSYS的模態分析

2.1 模型的建立

對于模型的建立有兩種常見方法：

(1) 在ANSYS有限元軟件自帶的DM模塊中進行設計[5]，這樣可以將幾何特征完全導入優化模塊，便于模型的優化及后處理。

(2) 利用其他軟件，比如Creo、SolidWorks等進行三維建模，再另存為.x_t或.step等通用格式，同時可把有限元軟件和三維建模軟件相關聯，方便模型的修改和數據的轉換。

由于ANSYS的DM模塊三維建模能力較弱，而且沒有裝配功能，所以采用第2種方法，即在Creo軟件中進行三維建模，經兩個軟件關聯后既提高了建模效率，又便于仿真計算和模型的導出。

2.2 材料的選擇及網格劃分

整個地井材料選取Q345，材料特性如表1所示。

表1 Q345材料特性

本文對于地井頂蓋劃分網格時以四面體網格為主，然后再對接觸局部進行網格細化加密，如圖1所示。得到地井頂蓋的節點數為27 256。

圖1 地井頂蓋網格劃分

2.3 模態分析

本文對頂蓋內面的接觸平面采取固定約束，利用Workbench模塊進行模態分析，得到地井頂蓋的前6階模態振型，如圖2所示。

圖2 地井頂蓋的前6階模態振型

飛機和運輸車輛行駛時會因地面不平而產生激振頻率，對地井頂蓋進行模態分析是為了得到其頻率值，以避免其激振頻率，防止產生的共振破壞地井頂蓋[6]。得到的地井頂蓋前6階模態的頻率與振型描述見表2。

表2 地井頂蓋前6階固有頻率及振型描述

3 地井頂蓋的有限元分析

對地井頂蓋進行900 kN的壓力仿真實驗，通過圖3變形云圖和圖4應力云圖可以看出最大的變形量為0.024 mm，最大應力值為83.23 MPa，出現在邊界處；與Q345材料的機械性能參數對比，遠小于材料的最大屈服強度，并且尚有大量的強度裕量，故滿足使用要求。

圖3 地井頂蓋的變形云圖

圖4 地井頂蓋的應力云圖

4 結論

本文利用ANSYS有限元分析軟件中的Workbench模塊對某機場飛行區地井頂蓋進行模態分析和強度分析，計算出其前6階模態和振型；再經過900 kN的強度仿真實驗，證明地井頂蓋滿足使用要求。