汇流环底板动态特性分析*

文 广，程 明,张学蓉，唐先春，蒋辛辉，李 航

(1.成都工业学院 智能制造学院，四川 成都 611730；2.成都无线电专用设备厂(国营633厂)，四川 成都 611730)

0 引 言

作为汇流环的重要零部件之一，底板主要承受来自于上方的压力。除了底板外，汇流环内部还装有环芯等转动部件。由于零件的加工及装配等工序中存在无法避免的误差等原因，汇流环在工作时，包括底板在内的各零部件会承受一定的随机振动载荷，因此，在进行汇流环结构设计时，有必要对包括底板在内的零部件进行动态特性分析。进行动态特性分析的方法有很多，常见的有试验法和仿真分析法，其中，仿真分析法由于其低成本、操作方便等原因，在结构动态特性分析领域有着广泛的应用。文献[1]～[4]分别以某精密机床、某顶驱传动系统的齿轮轴大齿轮、某小型电动汽车的轮毂和某叉车驱动桥桥体为研究对象，利用有限元软件Ansys Workbench对其进行了模态分析，获取了结构的模态振型和固有频率等参数。文献[5]为了研究某电动轮自卸车车架的静动态特性，开展了多工况下的动强度、刚度和模态分析。文献[6]则利用有限元软件Ansys对某桁架式门机的静动态特性进行了分析，获取了结构的前六阶固有频率和振型。文献[7]采用ADAMS软件对某角接触球轴承在不同径向载荷、轴向载荷、角加速度条件下的加速过程进行了仿真。笔者使用有限元软件Ansys对某汇流环底板结构的动态特性进行分析，获取结构的模态固有频率、振型及简谐响应曲线，为该底板及汇流环整体的结构优化提供了数据参考。

1 汇流环底板结构示意及有限元模型

底板是汇流环的重要零部件之一，安装在汇流环底部，其结构示意如图1所示。该底板由铝制成，其材料特性参数如表1所列。

图1 汇流环底板结构示意图 图2 汇流环底板有限元模型

表1 汇流环底板材料特性参数

基于汇流环底板的结构示意图，在忽略底板上的倒角等较小结构后，按照有限元建模的思路，建立其有限元模型。整个底板结构采用Solid 187 实体单元模拟，实体模型建立后，选用自由网格划分方式对其进行网格划分，离散后的有限元模型如图2所示，该模型共有49 075个单元，81 952个节点。

2 汇流环底板自振特性分析

文中主要利用Ansys软件的模态分析模块来开展汇流环底板的自振特性分析，根据有限元理论，模态分析主要用于获取结构的固有频率和振型等自振特性参数。该底板的动力学方程可以用下式来描述[8]：

(1)

底板的模态分析采用兰斯索斯法，分析结束后，提取底板结构的前六阶模态固有频率如表2所列及各阶模态振型如图3所示。

表2 底板模态固有频率

图3 底板模态振型图

从图3可以看出，该汇流环底板的前六阶模态振型主要表现如下：第一阶模态振型主要表现为底板中间部位的上下起伏振型，第二至第六阶振型均表现为底板结构整体的扭曲振型。

3 汇流环底板谐响应分析

利用有限元软件Ansys的谐响应分析模块，对该汇流环底板结构进行简谐振动分析。考虑到该底板前六阶模态固有频率最大值为2 752.7 Hz，因此，将外界激励载荷频率设置为0～2 760 Hz，间隔为10 Hz，激励载荷的大小保持不变，即为阶跃载荷，载荷施加位置如图4所示。分析后，提取底板结构上部分关键节点的位移幅值响应曲线，如图5所示。

图4 加载后的底板有限元模型

图5 底板关键节点位移响应幅值曲线

从图5可以看出，所有关键节点的位移响应幅值均在激励载荷频率约为2 320 Hz时，达到了最大，该激励频率和底板结构的第一阶模态固有频率值接近，因此，可以认为在该底板结构的前六阶模态中，其第一阶模态对其自身的动态特性影响最大。

4 结 论

利用有限元软件对某汇流环底板结构进行动态特性分析，借助模态分析模块和谐响应分析模块分别获取了底板结构的模态固有频率、振型及位移响应曲线。通过计算分析取得如下主要结论。

(1)该汇流环底板结构的前六阶模态固有频率分别为：2 318、2 553.7、2 734.5、2 747.2、2 747.8、2 752.7 Hz。

(2)该底板结构的前六阶模态振型主要表现如下：第一阶模态为底板结构中间部位的上下起伏振型，其余各阶振型均表现为底板整体的扭曲振型。

(3)该底板结构在激励载荷频率约为2 320 Hz时，其位移响应幅值达到最大，底板结构的第一阶模态对其动态特性影响较大。