基于ANSYS Workbench的某支撑架结构改进

薛 阔，张宇飞，顾睿峰

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

0 引 言

某装备天线支撑架在使用过程中由于质量过大每次开合都需要至少两人小心操作，装备维修时也不方便拆卸安装。针对该问题，现场考察后，发现支撑架选用槽钢较厚，推测设计安全裕量较多，有改进空间。为了进一步明确改进方向，提出改进方案，本文利用ANSYS Workbench对该支撑架作了相应仿真分析。ANSYS Workbench是ANSYS公司提供的协同仿真环境，集成了多学科异构CAE技术[1]。该软件具有友好的用户界面，与Pro/E等CAD软件可无缝对接，操作简便，功能强大，在工程分析中应用广泛[2]。

1 原支撑架静力分析

在Pro/E中建立的支撑架模型如图1所示。该支撑架选用16#b槽钢焊接而成，主要分为横梁、左支柱、右支柱3个部分。支撑架通过安装板上轴孔与基座旋转连接，打开立起时利用销孔固定位置。

将模型导入ANSYS Workbench，材料选择Q235钢，此时支撑架质量约为53 kg，与实际基本相符。该仿真的目的为模拟零件受力状态，明确改进方向，不必太精细处理，故考虑求解效率和实际需要后，模型的网格划分选择系统默认设置即可，网格划分结果见图2。

雷达设备工作时，天线架起，支撑架不工作；设备停止工作，天线收起时，支撑架工作状态分为两种情况。设备停放状态时，支撑架只受到天线的静压力；设备转场运输过程中，由于车体振动，支撑架受到上下方向为主、前后左右方向为辅的动荷载。该动荷载受到路面状况、行车速度、轮胎充气程度及驾驶员技术水平等一系列因素的影响，产生非规律性的不稳定变应力。考虑到装备实际使用情况及支撑架较大的原始设计裕量，较合理的处理方法是将该问题简化为静荷载。

设备机动转场过程中，较极端的情况是车辆越野路面不平时，此时支撑架可能会短时间过载。结合车辆轮胎、悬挂系统及支撑架与天线间隔振器的减振作用，本文粗略估计后选择给支撑架施加2～3倍天线反射面质量约1.5 t的较大裕量静荷载作为支撑架极端受力状态进行模拟。图3为模型施加的边界条件，支撑架荷载对称分布，故A、B两处分别施加7 500 N竖直向下的力。同时，在轴孔与销孔处设置与地面间的旋转副，然后求解。

图4为支撑架总体变形云图。由图可知，变形主要趋势为横梁受压向下弯曲，左右支柱分别向模型外侧弯曲。最大变形点位于横梁中部，变形值为0.45 mm，亦即为横梁挠度，此时横梁挠度与跨长比为1/3111。最小变形位于下部安装板上，因为该处与安装基座相配合，几乎无位移。

图5为支撑架等效应力云图。由图可知，左右支柱内侧区域应力相对较大，但是最大应力点位于销孔内上侧，最大值为76.94 Mpa，远小于钢的许用应力170 Mpa。图6为安全系数云图，其最小值为3.25，亦说明了支撑架槽钢较厚，设计裕量较多。

由以上分析可知，仿真结果验证了最初的推断。该支撑架的改进可以考虑选用较薄的低型号槽钢。又考虑到该支撑架的实际安装、使用情况，对其结构样式不予改变，故下文选用12#槽钢建立支撑架模型，并进行仿真分析，以验证方案可行性。

2 改进后支撑架仿真分析

2.1 静力分析

支撑架改进前后基本结构外形未变，只是将原来16#b槽钢改用12#槽钢，所以其仿真设置与前文相同，求解后得到其总体变形云图、等效应力云图及安全系数云图。

图7为改进后支撑架的总体变形云图，最大和最小变形点位置与改进前相同，分别位于横梁中部和下部安装板上。最大变形值为0.93 mm，比改进前增加了一倍，但是挠度与跨度比为1/1505，依然较小，说明横梁满足刚度条件。

图8为等效应力云图。由图可知，支撑架最大应力点位于左支柱和横梁连接处，最大值为155.82 Mpa，小于钢材许用应力170 Mpa，说明改进后支撑架满足强度要求。

图9为安全系数云图，其最小值为1.60，铸钢为塑性材料，安全系数一般在1.5～2.0，所以改进后支撑架满足要求。该支撑架改进后质量约为33 kg，比改进前减轻了37. 8%。

2.2 模态分析

该支撑架安装在机动型载车平台上，应保证支撑架固有频率远离车辆上所有的激振源频率，所以本文对改进后支撑架做了预应力模态分析，以保证支撑架在车辆行驶过程中不会发生共振。

模态分析是计算机械结构振动特性的数值分析技术，可得到结构的固有频率和模态形状[3]。模态分析中假设：(1)结构刚度矩阵和质量矩阵不发生改变；(2)除非指定使用阻尼特征求解方法，否则不考虑阻尼效应；(3)结构中没有随时间变化的载荷。

无阻尼系统中，求解结构模态参数的运动方程为[1]

(1)

{u}={φi}cosωit

(2)

其中，{φi}为第i阶模态形状的特征向量，ωi为第i阶固有振动频率，t为时间。

由以上两式可得

(3)

所以，支撑架振动特征方程为

(4)

通过该式可以求得第i阶固有振动频率ωi，进而可以求得第i阶模态形状的特征向量{φi}。

预应力模态分析与静力分析共享数据，求解后得到支撑板前6阶固有频率见表1，各阶固有频率对应的模态振型见图10。

表1 改进后支撑板前6阶固有频率

由图10再结合仿真动画可知，第1阶模态振型为支撑架在X轴方向的直线振动；第2阶模态振型为支撑架在Z轴方向的直线振动；第3阶模态振型为支撑架在Y轴方向的直线振动；第4阶模态振型为支撑架绕横梁中部Y向轴左右摆动；第5阶模态振型为支撑架的扭转运动；第6阶模态振型为支撑架绕横梁中部Z向轴的摆动。

针对该载车平台，其主要激振源为发动机，正常行驶时发动机转速约为1 000～1 500 r/min，即16.67～25 Hz。由表1可知，改进后支撑架各阶固有频率均大于发动机频率，所以车辆行驶时不会形成共振。

3 结束语

本文针对某支撑架过重的工程实际问题，运用ANSYS有限元分析的方法进行了改进，改进后支撑架质量为33.071 kg，比改进前减轻了37. 8%。该问题中的研究对象不是简单的梁、杆结构，理论分析方法需要将问题简化才能研究。对于更复杂的结构，有时难以理论计算，ANSYS有限元分析法则不会受此限制，方便对复杂结构求解[4]，体现了较高的优越性。