圆盘钢板振动的ANSYS仿真分析

冯中营　韦仙　刘晓菲、太原工业学院理学系　2、陕西师范大学应用声学研究所



圆盘钢板振动的ANSYS仿真分析

冯中营1、2韦仙1刘晓菲1
1、太原工业学院理学系2、陕西师范大学应用声学研究所

摘要：圆盘钢板在实际中具有很多用途，当圆盘钢板受到激励振动时会产生不同的振动频率。打孔圆盘钢板在水力空化领域可以用作空化器，此时圆盘钢板也会由于水流的冲击而产生振动。本文理论计算了圆盘钢板的振动频率，并用ANSYS软件对圆盘振动进行模态分析，结果表明理论计算与模拟分析结果具有很好的符合性。

关键词：圆盘钢板；振动；ANSYS

引言

圆盘钢板以其独有的形状及特性，在农机和众多其他领域具有广泛的应用。在水力空化领域，可以在圆盘钢板上打孔，然后把圆盘钢板放置于流体管路中，利用水流冲击产生空化效应。打孔的直径与打孔的个数不同，会影响流体对圆盘钢板的冲击效果及产生的空化效应，但是对圆盘钢板的振动影响甚微。

1　圆盘钢板振动的理论计算

在理论计算中，没法考虑打孔影响，因此只能计算圆盘钢板的振动频率。圆盘钢板在实际中一大部分情况下边界是固定的，在此条件下圆盘钢板的振动方程为［1-2］：

上式中：（1）η（t，x，y）是圆盘钢板中心面上任意取的一点在垂直于圆盘方向的振动位移。

求解得圆板在周界钳定边界条件下的振动基频频率为：

2　圆盘钢板振动频率的ANSYS仿真计算

表1　圆盘钢板的各阶振动频率

有限元分析软件中最常用的是ANSYS［3-4］，ANSYS中的可以进行模态分析得到圆盘钢板振动的各阶模态及振动频率。在该软件中设置 a=0.075m，h=0.004m，σ=0.28，E=19.5×1010N/m2，ρ=7.8×103kg/m3，单元类型设置为为四面体单元，智能网格划分。得出不同的圆盘钢板的各阶振动模态和圆盘钢板的振动频率如表1。可以看出，圆盘钢板打孔的数量与直径等因素基本不影响圆盘钢板的振动频率。

通过ANSYS仿真的结果发现，在圆盘钢板边缘被固定的条件下，本文所用的圆盘钢板（如图1、图2所示）的振动频率受到钻孔的直径及钻孔的数目的影响是非常小的。

图1　钻孔圆盘钢板示意图

圆盘钢板的振动模态如图2、图3、图4所示。通过振动图可以看出圆盘钢板的振动具体情况，从而在实际应用中，根据此振动模态图，研究分析固定圆盘的机械部件中哪些部位受力较大，哪些部分容易断裂，从而提高其强度。在固定圆盘钢板时应该采用何种固定方式，如果需要焊接，则如何才能保证其牢固程度，这是我们通过研究可以解决的。

图2　圆盘钢板的1阶振动模态

图3　圆盘钢板的2阶振动模态

图4　圆盘钢板的3阶振动模态

3　结论

圆盘钢板的理论计算及ANSYS仿真分析结果表明，理论计算的结果与仿真分析的结果是非常符合的，圆盘钢板的模态分析结果有利于人们在农机中合理利用类似于圆盘钢板的部分，利用分析结果可以指导在机器制造过程中对圆盘钢板的固定等问题。

参考文献：

［1］应崇福.超声学［M］.北京：科学出版社，1990.457-513.

［2］冯若.超声手册［M］.南京：南京大学出版社，1999.78-717.

［3］梁召峰，周光平，林书玉.大功率低频超声场测量研究进展［J］.声学技术，2004，23（1）∶62-64.

［4］墨海波.基于ANSYS Workbench的FSAE赛车轮芯轻量化设计［J］.河北农机，2016，（1）∶55-56.