基于ANSYS的平地机前车架动态性能分析

宁凡，于明，赵坚，洪学武，刘海强，王志斌，刘聪

（天津城建大学a. 控制与机械工程学院；b.计算机与信息工程学院，天津300384）

0 引 言

平地机是借助车刀对地面进行平整的土方机械，结构主要由发动机、传动装置、工作装置、电气装置、驾驶室和机罩等部分构成[1]。前车架是平地机的重要部件，承受很大的质量，平地机的安全舒适性受其性能好坏的影响[2]。平地机工作时，前车架要受到动载荷的作用，当外界激励的频率接近或等于固有频率时，会产生共振，影响工作状态甚至发生应力破坏[3]，因此对车架进行模态分析并找出薄弱环节进行优化至关重要。

蒋壮[4]利用ANSYS软件对平地机前车架进行了有限元划分，并分三种工况进行静力学研究，得到了总位移云图和应力云图，证明了平地机前车架结构的合理性；顾娅欣、朱茂桃等[5]对平地机的机架进行了多目标优化，优化后的机架在强度、刚度、稳定性与舒适度等方面表现得更好。

现如今只对平地机各零部件进行静态强度和刚度分析，已经不能满足设计要求[6]。本文利用SolidWorks软件设计并建立平地机前车架三维模型，并将三维模型导入ANSYS中，基于ANSYS的模态分析模块，对前车架进行自由模态和约束模态分析，为平地机前车架的优化设计提供参考。

1 有限元模态分析

平地机在工作状态下不可避免地会产生振动，因此必须研究平地机各零部件的固有频率及振型来确保平地机在工作过程中具备良好的工作性能。

平地机前车架有限元的模态分析是通过提取前车架结构系统的模态参数得到其动态特性。随着计算机的快速发展，我们可以通过多种软件对机械结构进行模态分析[6]。对于本文所分析的前车架结构，通过ANSYS分析可以得到其固有频率及各阶振型。此外，前车架为金属构架，结构阻尼小，对振型和固有频率产生的作用非常小，因此可以忽略。

2 平地机前车架有限元模型

2.1 建立实体模型

为了降低模态分析的计算量，建模时对前车架的吊耳、车灯等细微结构进行简化，简化后对前车架动态特性产生的微小改变可忽略。利用SolidWorks软件构建平地机前车架的三维模型，如图1所示。

2.2 建立有限元模型

图1 前车架实体模型

将平地机前车架的三维实体模型导入ANSYS中。前车架的材料为Q345低合金结构钢，几乎不可压缩，故选用体单元SOLID186单元来进行网格划分。由于前车架的前端与后端有螺纹孔，因此在螺纹孔的周围需要进行网格划分，得到节点个数为58 204，单元个数为37 879，建立有限元模型如图2所示。材料参数如表1所示。

图2 前车架有限元模型

3 平地机前车架模态分析

模态分析有自由模态和约束模态两种。当前车架在完全自由状态下进行的模态分析为自由模态，此时所得到的结果为前车架零件的固有特性。将前车架装配到平地机上，此时得到的分析结果为约束模态分析。

表1 前车架材料参数

3.1 前车架自由模态分析

对平地机前车架进行自由模态有限元分析时，不考虑任何激励，也不施加任何约束，只需要关注低阶频率。根据求解结果可知，在关注的频率段里有6阶可以明显地反映出前车架的振动特性。平地机前车架在自由模态下前6阶模态振型如图3所示,分析结果如表2所示。

图3 前车架自由模态前6阶振型

根据图3可以看出前车架各阶振动的方位及幅度：第1阶模态前车架沿Z轴轴线做抓取运动；第2阶模态前车架沿Z轴轴线做扭转运动；第3阶模态前车架后部沿X轴左右方向摆动；第4阶模态是前车架沿Z轴轴线做抓取运动，第5阶模态是沿Z轴轴线做扭转运动；第6阶模态前车架沿Z轴轴线做蠕动运动。

表2 自由模态下前6阶模态计算结果

3.2 前车架约束模态分析

通过对前车架施加约束，模拟前车架与平地机装配后的状态，对前车架进行约束模态分析。前车架前后两端分别与前桥及后车架铰接连接，添加约束后求解得到平地机前车架在约束模态下前6阶模态分析结果如表3所示，振型如图4所示。

表3 约束模态下前6阶模态计算结果

图4 前车架约束模态前6阶振型

从模态振型图4可以看出：第1阶模态前车架沿Y轴上下摆动;第2阶模态为前车架沿Z轴轴线做蠕动运动;第3阶模态是前车架沿Z轴轴线做蠕动运动; 第4阶模态是前车架前端做扭转运动；第5阶模态是前车架后端做扭转运动；第6阶模态为前车架沿Z轴轴线做蠕动运动。

4 结 语

1）施加约束后，前车架的固有频率明显增加，尤其是在第1阶模态，前车架除了约束部位，中间部分大范围的上下摆动，因此在后续的改进设计中还需要对平地机前车架进行优化设计。

2）通过查阅资料可知，平地机在工作状态下发动机的额定转速为2300 r/min, 此时对应的振动频率为38.3 Hz。通过分析计算，前车架在约束模态下的第1阶固有频率为57 Hz，此后固有频率呈递增关系，远远大于38.3 Hz，所以前车架的固有频率成功避开了发动机的振动频率，不会产生共振破坏。

3）通过平地机前车架的结构模态分析，从理论上找到了各阶固有频率和各阶振型，为接下来平地机前车架的设计提供了较为全面的数据参考。