基于ANSYS Workbench多瓣抓斗的模态分析

朱帅， 文学洙

（延边大学机械工程学科，吉林延吉133002）

0 引言

本文主要对多瓣抓斗颚板进行研究，颚板是多瓣抓斗的关键承载部件。多瓣抓斗在工作时，颚板抓取物料承受着复杂的动载荷，颚板会产生振动［1］。为了保证颚板在工作中能够有较好的性能，避免颚板在运动时受外界力作用产生共振，造成对其本身的破坏，有必要对颚板进行模态分析［2］。本文利用ANSYS Workbench有限元分析软件分析了抓斗机构颚板的固有频率和振型，为今后颚板的设计提供了有效的参考依据。

1 抓斗颚板模态的分析过程

1.1 有限元模型的建立

ANSYS Workbench和三维软件SolidWorks具有直接的双向接口，可以在SolidWorks中建立三维模型后直接打开ANSYS Workbench进行有限元分析，如图1所示。

图1 抓斗颚板的三维模型

1.2 添加材料的信息

多瓣抓斗的颚板装置的材料为Q235钢，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为235 MPa，抗拉强度为375～460 MPa，密度为7.85×103kg/m3。

1.3 网格划分

在ANSYS Workbench中使用计算精度较高的六面体网格划分。生成的网格模型共有节点数45234个，单元数12037，单元尺寸20 mm，网格类型为：mesh200［3］。

1.4 施加的约束边界

在抓取物料的时候，颚板臂前铰链孔与下承梁形成转动副，后铰链孔与撑杆形成转动副。即在颚板臂的前后铰链孔处添加4个旋转约束。

2 模态分析

颚板的模态分析就是分析颚板的振动特性，得到其固有频率和振型的过程。本文以颚板约束模态为例，由于低阶振型对颚板结构的振动影响较大，对其动态特性起着重要的作用［4］。需要得到颚板的前10阶固有频率和振型情况。表1所示为前10阶模态的频率和最大变形量。

表1 前10阶固有频率及最大变形量

颚板的前10阶模态分析图，如图2～图11所示。

图2 颚板第1阶模态分析

从前两阶固有频率可以看出，颚板的固有频率比较低，尤其是第1阶比较低，前3阶振型为整体振型，颚板的变形量不是很大。但是从第4阶起振型幅度开始增大，最大变形量也开始增大。从第6阶以后是主要的薄弱模态，局部振型变化明显，变形量变化明显，这表明该颚板局部刚度较低，所以有必要对颚板的颚铲壁厚进行设计，使局部刚度得到提高。第7阶到第8阶之间的频率差最大，而这个范围是颚板与各振源频率避开共振的最好位置。

图3 颚板第2阶模态分析

图4 颚板第3阶模态分析

图5 颚板第4阶模态分析

图6 颚板第5阶模态分析

图7 颚板第6阶模态分析

图8 颚板第7阶模态分析

图9 颚板第8阶模态分析

图10 颚板第9阶模态分析

图11 颚板第10阶模态分析

3 结论

1）通过对颚板有限元分析求得10阶模态，从而检查产品设计的合理性。2）通过对颚板的模态分析可以非常直观地表现出产品的动态特性和薄弱环节，为颚板的结构设计、制造提供了参考数据。3）通过对颚板的模态分析可诊断颚板的故障，如根据振型的分析可以确定其断裂的位置。

［1］ 李治国.抓斗式挖掘装置虚拟样机设置［D］.呼和浩特：内蒙古农业大学，2007：35-36.

［2］ 沈卓.高抓取比耙剪式抓斗研究［D］.上海：上海海事大学，2005：47-49.

［3］ 何俊，赖玉活，唐清春，等.基于ANSYS Workbench12的床身模态分析［J］.中国新技术新产品，2011（14）：121-124.

［4］ 刘俊梅，于晓龙.大型抓斗式挖泥船有限元法结构优化设计［J］.中国水运：下半月，2013（1）：89-91.