基于ANSYS的某小型集装箱架的模态分析

张彭豪，苏润凡，王汉文，卞梨交

(西华大学西华学院，四川 成都 610039)

基于ANSYS的某小型集装箱架的模态分析

张彭豪，苏润凡，王汉文，卞梨交

(西华大学西华学院，四川 成都 610039)

集装箱在被货车运输过程中经常会受到路面的不平导致的颠簸震荡，从而使集装箱架产生非对称性的载荷，引起集装箱架的振动现象。利用ANSYS软件对运载某Baja越野赛车的小型集装箱架进行模态分析，得到该集装箱架的9阶固有频率和对应的总形变图，结果显示集装箱架的4至7阶的频率与路面的频率比较耦合，对集装箱架的影响较大，从而会对集装箱中的越野赛车产生震荡影响。

集装箱架；ANSYS软件；自由模态分析；固有频率

引言

货车装载集装箱在不平或路面较差的道路上行驶时，会引起集装箱的振动，集装箱架就会承受在振动时产生的载荷；若当由载荷引起的该小型集装箱架的激振频率与其固有频率一样就会发生共振，造成集装箱架产生形变甚至结构破坏。为了不让其产生共振现象，就需要对集装箱架的固有频率进行相应的分析，设计出合理的结构避开各种振荡的频率。

针对某Baja越野车的集装箱架用ANSYS进行模态分析，找出集装箱架所固有的振动频率以及产生较大形变的部位，利于对该小型集装箱架进行结构上的改进，也可为之后的集装箱架的设计提供可靠的理论依据。

1 集装箱架的三维模型

集装箱架全长为3.05m，宽为2.2m，高为2.1m，所用的材料为Chrome Stainless Steel ，其弹性模量为2.00E+11N/，泊松比为0.280，质量密度为7.80E+03。所建立的集装箱架的三维模型如下图1所示：

图1 集装箱架三维图

利用ANSYS软件中的modal，即模态分析选项，进入后选择mesh工具选项对该集装箱架进行网格划分，在设置参数时采用Sizing中off，Element Size设置为20mm，其他为默认设置，划分网格的方法为直接划分法，此模型中共有节点数1357081个，单元数481174个，划分网格后的模型图如图2所示：

图2 网格化模型图

2 自由模态分析基本理论模型

模态分析是研究结构动力特性一种方法；而模态指的是机械结构的固有振动特性，每一个模态都有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。分析这些模态参数的过程称为模态分析。模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：

1) 评价现有结构系统的动态特性；

2) 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计；

3) 诊断及预报结构系统的故障；

4) 控制结构的辐射噪声；

5) 识别结构系统的载荷。

对于一个多自由度的线性定常系统，该系统的振动方程为：

对于结构的模态分析来说，可以知道其阶模态固有的频率ωi和φi振型，且每一个固有的频率都有一个对应的振型。

3 对小型集装箱架的模态分析研究

集装箱架在设计时能否满足振动要求，一般是采用该集装箱架的低阶振动频率进行研究讨论，而在设计集装箱架的结构时主要考虑到集装箱架的低阶振动频率应该不在路面的激振频率的范围内，这样可以避免共振现象的产生。

利用ANSYS软件中的modal板块对该小型集装箱架进行自由模态分析；对于自由模态分析，是没有边界约束条件和外加载荷的，分析了该模型的前9阶固有频率，各阶固有频率表与各固有频率分布图如下表1与图3所示：

表1 集装箱架前9阶固有频率

图3 各阶固有频率分布图

由上表和上图可以看出第一阶的固有频率为0 Hz，第二、三阶的固有频率趋近于0 Hz，因此通过前3阶的固有频率可以知道在前3阶频率下集装箱架可以看成是刚体，几乎不会产生振动变形；而道路路面的激振频率一般为120 Hz，因此第4阶至第7阶的频率处于路面的激振频率范围内，在此情况下集装箱架与路面可能会产生共振现象。再通过ANSYS中在个频率下总形变的分析，可得到该集装箱架模型的总形变图，如下图4所示：

图4 模型总形变图

经过在各固有频率下的总形变分析可知，前3阶可以将模型视作刚体，总形变可忽略不计，在第4阶至第7阶固有频率下，集装箱架的右部上下顶点处的形变最厉害，第7阶时此处的总形变达到最大，使箱架发生弯曲和扭转变形，第8、9阶的形变主要集中在箱架左部，使箱架发生轻微扭曲变形，此出现此种情况可能与汽车在行驶时的车身的振动有关。

从以上分析的结果知道，该小型集装箱架模型的模态分析处的固有频率在040Hz之间，而道路的路面的频率一般是120Hz，在此频率范围中该小型集装箱架可能会与路面发生共振现象，为了避免此现象的发生，在设计时应该避开此频率为好。

结论

通过利用ANSYS软件对某Baja越野车的小型集装箱架进行自由模态分析，分析其前9阶的固有频率，并分析了此模型在各个固有频率下的总形变效果。从结果可以看出，该集装箱架的第4阶至第7阶固有频率是处在路面的激振频率之中的，它可能会与路面的激振频率发生耦合，从而产生低频共振现象，后两阶固有频率显示可能该集装箱还可能会与运输车的发动机等发出的频率相耦合，两种情况都会使得该集装箱架产生扭曲等变形。因此，需要对该小型集装箱架进行结构上的优化，以达到更好的效果，进而可以为集装箱架的设计使用提供理论基础。

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[3]浦广益.ANSYS Workbench基础教程与实例分析详解[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

[4]麻瑞祥，郭盛，丁振.集装箱地板钻孔锁钉装置机架的模态分析[J].装备制造技术，2014(11):120-121.

[5]梁君，赵登峰.模态分析方法综述[J].现代制造工艺，2006(8)：139-141.

[6]孙敬敬. 机械结构的模态分析方法研究综述[J]. 科技信息,2014(1):80.

(责任编辑：孙 强)

A Small Container Frame Based on ANSYS Modal Analysis

ZHANG Penghao，SU Runfan，WANG Hanwen，BIAN Lijiao

(School of Xihua, Xihua University, Chengdu, Sichuan 610039, China)

Container by truck transportation process will often uneven turbulence oscillation caused by the road, which makes the asymmetry load produced by the container frame. Container frame vibration caused by using ANSYS software carries a small container frame of Baja off-road racing modal analysis, and gets the container frame 9 order natural frequency and the corresponding total deformation figure, and the results show that the container frame 4 to 7 levels of frequency and the frequency of the pavement is coupling, and has bigger influence on the container frame, which would shock impact on container of off-road racing.

container frame; ANSYS software; free modal analysis; natural frequency

2017-02-22

张彭豪(1995- )，男，四川德阳人，车辆工程专业本科生。

U656.B5

A

1671-4385(2017)02-0102-03