基于ANSYS的某机场飞行区地井顶盖模态分析

李雪刚，涂思东，傅 博，高晓辉，林 森，刘晓东

(北京首都机场节能技术服务有限公司，北京 100020)

0 引言

目前城市的建设飞速发展，与其相关的地下给排水工程、地下运输工程也变得逐渐复杂，使得地井的需求量逐年增加，其分布也越来越广泛。对于飞行来说，机场飞行区的清洁与污水处理同样也依靠地井来完成。而飞机和地面车辆所产生的振动频率，是地井设计时所需要考虑的重要因素[1，2]。

交通工具在路面上行驶时，由于地面不完全平整随之发生振动，此时地井顶盖会受到激振[3]。为避免发生共振，有必要对地井顶盖进行模态分析得出其固有频率，便于在结构设计时避开发生共振的区域与模态值。

1 模态分析计算

本文将通过各阶频率的大小和分布，分析井盖的固有特性，进而判断结构的薄弱位置。基于达朗贝尔原理[4]，以地井顶盖为研究对象，建立其动力学微分方程：

(1)

当阻尼较小时，阻尼对于井盖固有频率的影响就微乎其微，即无阻尼运动。在求解井盖的自由模态固有频率时，阻尼与外部载荷可忽略不计，则式(1)可简化为：

(2)

井盖的运动可视为简谐运动，于是有：

{x}={u}cosωt.

(3)

其中：{u}为振幅列向量；ω为固有频率。将式(3)代入式(2)有：

([K]-ω2[M]){u}=0.

(4)

而且在井盖做简谐运动时，每个节点的振幅不同时为0，则系统振动方程为：

|[K]-ω2[M]|=0.

(5)

最终求得模态频率为：

(6)

2 基于ANSYS的模态分析

2.1 模型的建立

对于模型的建立有两种常见方法：

(1) 在ANSYS有限元软件自带的DM模块中进行设计[5]，这样可以将几何特征完全导入优化模块，便于模型的优化及后处理。

(2) 利用其他软件，比如Creo、SolidWorks等进行三维建模，再另存为.x_t或.step等通用格式，同时可把有限元软件和三维建模软件相关联，方便模型的修改和数据的转换。

由于ANSYS的DM模块三维建模能力较弱，而且没有装配功能，所以采用第2种方法，即在Creo软件中进行三维建模，经两个软件关联后既提高了建模效率，又便于仿真计算和模型的导出。

2.2 材料的选择及网格划分

整个地井材料选取Q345，材料特性如表1所示。

表1 Q345材料特性

本文对于地井顶盖划分网格时以四面体网格为主，然后再对接触局部进行网格细化加密，如图1所示。得到地井顶盖的节点数为27 256。

图1 地井顶盖网格划分

2.3 模态分析

本文对顶盖内面的接触平面采取固定约束，利用Workbench模块进行模态分析，得到地井顶盖的前6阶模态振型，如图2所示。

图2 地井顶盖的前6阶模态振型

飞机和运输车辆行驶时会因地面不平而产生激振频率，对地井顶盖进行模态分析是为了得到其频率值，以避免其激振频率，防止产生的共振破坏地井顶盖[6]。得到的地井顶盖前6阶模态的频率与振型描述见表2。

表2 地井顶盖前6阶固有频率及振型描述

3 地井顶盖的有限元分析

对地井顶盖进行900 kN的压力仿真实验，通过图3变形云图和图4应力云图可以看出最大的变形量为0.024 mm，最大应力值为83.23 MPa，出现在边界处；与Q345材料的机械性能参数对比，远小于材料的最大屈服强度，并且尚有大量的强度裕量，故满足使用要求。

图3 地井顶盖的变形云图

图4 地井顶盖的应力云图

4 结论

本文利用ANSYS有限元分析软件中的Workbench模块对某机场飞行区地井顶盖进行模态分析和强度分析，计算出其前6阶模态和振型；再经过900 kN的强度仿真实验，证明地井顶盖满足使用要求。