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基于 ANSYS Workbench 的采油树管道响应谱分析
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下载所得到的文件列表基于ANSYS Workbench某壳体结构模态分析及改进-王红珍.pdf
文档介绍：
基于ANSYS Workbench某壳体结构模态分析及改进王红珍刘小涛顾卫平(庆安集团有限公司航空设备研究所,陕西省西安市710077)摘要:动态特性研究是提高结构性能的重要途径,模态分析是对动态特性进行合理评价的重要手段。文章利用ANSYS计算出该装配体的前6阶固有频率和振型,根据其振型特点,提出在壳体结构设计过程中提高装配体的固有频率的措施。关键词:连接壳体;模态分析;ANSYS W有限元方法Modal Analysis of A axle housing Based on ANSYSWorkbenchWang Hongzhen, Liu Xiaotao, Gu Weiping(Aviation Equipment Institute, Qingan Group Co.Ltd, Xi’an710077,Shaanxi Province, China)Abstract:The research on dynamic characteristic is a important way to improve the performance of the structureand the dynamic characteristics of the structurecan be evaluated effectively by modal analysis. In this paper, the modal analysis theory is analyzed by calculating. Through modal analysis, distribution of modes and associated modal shapes are acquired, the weak points of xxx have been found out at the same time. This paper points out that in the design of the connection shell,we should take anti-torsion measures and reduce loss of the performance of the connection shellresulted from torsion.Key words: Connection shell,Modal analysis,ANSYS Workbench,Finite element method1.ANSYS模态分析理论模态分析法是一种多自由度振动系统分析方法。模态分析主要用于确定结构和机器部件的振动特性,即固有频率和振型,也是谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分析的基础。模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使其微分方程组解耦,成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数[1]。有限元模态计算是利用有限元法将无限个自由度的连续系统,划分为有限个自由度的离散系统,再利用模态计算的数值方法求解系统的有限个固有频率和振型的方法[2]。模态分析的理论过程如下[3]:根据能量守恒原理建立多自由度弹性结构系统振动微分方程的表达式为:{})(][][][tFxKxCxM=+??????+??????(1)试中:][M、][K--分别为质量矩阵、刚度矩阵,n×n阶,均为实对称矩阵,单位分别:kg、N/m;][C--阻尼矩阵,n×n阶,非对称矩阵,单位:N/(m/s);??x、?x、x--分别为加速度列阵、速度列阵、位移列阵,n阶,单位分别:m/s2、m/s、m;)(tF--激振力列阵,n阶,单位:N。模态分析的是自由振动,可以看做是忽略阻尼影响的无阻尼自由振动系统,即][C=0,)(tF=0,此时方程可以简化为:10}]{[][=+??????xKxM(2)这是具有动力耦合又有静力耦合的微分方程。设系统各质量块按照同频率和同相位做简谐振动,即)sin(?ω+=tAxii(i=1,2,…,n),{}{}()?ω+=tAxsin(3)将上式带入(2), 可得一个关于iA的n元线性齐次方程组。写成矩阵形式:[][][]{}{}02=?AMKω(4)令[][][]MKB2ω?=为系统的特征矩阵,该方程有非零解的充要条件是系数矩阵的行列式为零,即][][2MKω?=0
(5)求解特征方程得n个2ω根,称为特征值。这n个特征值开放后得到n个数值称为系统的n个固有频率,记为1nω、2nω、…、nnω,按照从小到大的次序依次称为第1阶、第2阶、…、第n阶固有频率。把各阶固有频率代入(4)式,得出相应阶的振幅向量[4]。对结构和零部件进行模态分析,其中低阶振型对结构动态特性影响程度要远远高于高阶振型的影响。2.有限元模型该壳体结构复杂,在CATI A环境下建立三维实体模型,该结构主要由电磁铁壳体、连接壳体、输入壳体、传动轴和三个轴承组成,如图1。根据有限元分析的特点,对于复杂结构体内不大的倒角、圆角和各种螺栓连接孔可以进行简化处理。将实体三维模型以stp格式导入在UG环境进行前处理,然后将其导入ANSYS Workbench有限元软件,在ANSYS软件中附加材料属性,壳体为铝材,其他零件为不锈钢材料。在进行有限元模态计算时,网格质量的高低对计算结果有一定的影响。在该分析过程中,逐渐增加网格数量,提高网格质量。当网格数量增加和质量提高到一定程度时,其模态计算结果趋于稳定时,确定结构有限元网格的划分方式。该连接壳体实际结构复杂,在模态计算时,在保证各部件结构尺寸、形状的情况下模型应尽量简化,去除一些螺栓孔、倒角、圆角等结构。采用四面体单元对该结构进行网格划分,如图2所示;单元总数:465835,节点总数:748514。图1 连接壳体几何模型图2 有限元模型图3 固定约束3.约束和边界条件该结构工作时电磁铁壳体和输入壳体上的6个耳片与外界固定连接,耳片孔上施加固定约束,如图3所示。为了接近实际连接关系,各零件之间的绑定关系,如图4所示,螺栓1、2、3、4分别与电2磁铁壳体、连接壳体、输入壳体设置绑定关系,以固定壳体的轴向位移;轴承1、2、3与传动轴绑定;轴承1、2、3分别与电磁铁壳体、输入壳体、连接壳体绑定;电磁铁壳体和连接壳体之间绑定、连接壳体和输入壳体之间绑定以固定壳体的径向位移。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)图4 绑定设置4.计算结果提取壳体低阶模态并进行模态扩展,前6阶模态计算结果如表1,振型如图5所示。分析计算结果,第1、2、3各阶次的固有频率间隔较大,第3阶和4阶、第5阶和6阶固有频率间隔较小,在频率间隔较小时引起共振的几率就增大。表1 前6阶模态频率计算结果阶次固有频率(Hz)振型描述11167沿传动轴在水平方向上左右振动,位移最大在传动轴左端部21584沿传动轴在垂直方向上下振动,位移最大在传动轴左端部32231沿传动轴在水平方向中心弯曲振动,位移最大在传动轴左端部42393沿传动轴在垂直方向中心1
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