管路模态有限元分析
蒋炳珍;杨小民
【摘 要】对等截面直管路的低阶模态计算,提出集中质量法和有限元法两种方法,计算了管路的低阶固有频率、振幅、振型和弯矩,研究通过在管路中间增设支点的方法对振动特性的影响,给出了工程实际管路的调频方法.结果表明,有限元法计算管路前三阶模态时,运算效率和精度非常高,可提供管路实际测频的最佳测点、挂点和激振点位置.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2019(048)006
【总页数】4页(P117-119,245)
【关键词】管路;调频;集中质量法;有限元;模态分析
【作 者】蒋炳珍;杨小民
【作者单位】桂林电子科技大学海洋工程学院,广西北海 536000;桂林电子科技大学海洋工程学院,广西北海 536000;河南科技大学机电工程学院, 河南洛阳471003
【正文语种】中 文
【中图分类】TP391.7
0 引言
模态分析是研究结构动力学特性的一种近代方法，是系统识别方法在工程振动领域中的应用[1]。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。模态参数有模态频率、模态质量、模态向量、模态刚度和模态阻尼等。采用有限元法计算结构的模态参数，称为计算模态分析；通过试验将采集系统输入与输出信号经过参数识别获得的模态，称为试验模态分析。
分析管路结构的模态，确定关心频率范围内的各阶主模态的特性，可预测设计的管路在此频率段内，当受到外部或内部各种激励作用的下实际振动响应。因此，管路模态分析是其结构动态设计的重要方法。
利用有限元法，确定管路模态试验的测量点、激励点、挂点，再参照计算振型对测试模态的参数进行辩识，这对于工程上复杂的管路系统是一个很有效的方法。本文采用集中质量法详细计算一段管路的前几阶模态，并采用有限元法，计算模态参数、各阶振型对应的弯曲应力和弯矩，分析了实际管路调频方法，给出了实际等截面管路的模态试验的测点、激振点和挂点的最优位置，具有工程上的指导意义。
６ ２００２年第４期 有限元技术在发动机机体模态分析中的应用 ４７１００４第一拖拉机股份有限公司 郭志强 ４７１０３９洛阳工学院汽车系 晋兵营 周志立 摘要论述了有限元技术在发动机机体模态分析中的应用方法和状况，并指出了发展方向。 芦 ｃ旧ｃｌ，ＩＫｓ ｐａｐｅｒ唧０ｕｒｌｄｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ ｓｔａｔｅ ０ｆｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｎｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ锄ｇｉＩｌｅ ｂｌｏｃｋｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｌ￣ｈｅｒ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｓ ｐｏｉｎｔｅｄ． 关键词：有限元发动机机体模态分析 随着对环境要求的不断提高，发动机的振动和 噪声问题越来越引起人们的注意，它不仅对机器本 身带来损害，而且会通过其振动表面向外界环境辐 射出强烈的噪声，危害人类健康。随着生产技术的 发展，发动机机体结构有向大型化、高速化、复杂化 和轻量化发展的趋势，由此带来的振动和噪声问题 更为突出。提高机体刚度降低振动表面的辐射效率 和增加振动表面的阻尼是控制表面辐射噪声的基本 途径。 利用有限元技术进行发动机机体的模态分析， 可以对发动机机体进行优化改进设计，降低发动机 的振动和噪声。 １ 发动机机体有限元模型 发动机机体有限元模型是在三维实体模型的基 础上，生成有限元网格，有多种方法。 １．１三维实体模型 发动机机体的三维实体模型的建立可利用 ＣＡＤ软件如美国ＳＤＲＣ公司的Ｉ．ＤＥＡＳ Ｍａｓｔｅｒ Ｓｅｒｉ． ｍ、ＰＴＣ公司的Ｐｒｏ／ＥｉｎｇｅｅｒＴＭ、ＵＧＳ公司的Ｕｎｉｇｒａｐｈ． ｉｃｓ 等。发动机机体是铸造的箱体类零件，其结构 形状极为复杂，机体上分布有各种加强筋、凸台、轴 承孔、水套、油道孔和各种纵、横隔板，在建立机体的 三维实体模型时，不可能全部考虑这些复杂的因素， 只能考虑一些起主导作用的因素。如对安装机体附 件用的凸台等进行简化或省略，对影响不大的小的 螺孔、水孔和油孔等不予考虑，将主轴承盖作为集中 质量分别加载到各自的轴承螺栓上等。 １．２有限元模型 有限元模型（包括节点数据、单元、物理特性、 材料特性）的建立是采用有限元法求解问题的先决 条件。在整个求解过程中，该步骤通常具有最大的 工作量。 在有限元模型建立的过程中，有限元网格的划 分尤为重要，直接关系到计算的精度和速度。目前， 有限元网格的生成方式基本上有两种类型：①手工 直接建立节点、单元形成的有限元模型。②基于几 何模型自动生成网格技术的有限元模型。 尽管有限元网格自动生成技术应用至今，出现 了大量的不同实现方法，如拓扑分解法、节点连接 法、基于珊格法、影射单元法和保形投影法、递推分 割法和迭代分割法，但这些方法运用在发动机机体 这样的复杂结构上仍然具有许多困难。突出地表现 在两方面：一是几何元素数量过多，使得采用现有算 法一次自动生成其有限元网格需要配置性能很高的 硬件；二是几何元素的形状太复杂或几何元素的尺 寸相差悬殊，导致计算结果不收敛或产生矩阵奇异 或生成网格的畸变严重。在现有条件下，解决上述 问题的一条有效途径是对发动机机体的三维实体模 型进行分解。即将几何实体复杂的拓扑结构通过附 加的线、面划分成相对简单的拓扑子域，然后逐一进 行网格划分。 如应用ＳＤＲＣ公司的Ｉ—ＤＥＡＳ７．０软件建立的 机体的三维实体模型，是把机体分解为缸体组、侧壁 组、上盖板、下法兰、加强筋组、主轴承隔板组、水套 与曲轴箱隔板等几部分，对安装附件用的凸台及影 响不大的螺纹孔、水孔、油孔都不予考虑。机体的侧 壁部分用不同厚度的壳单元模拟，加强筋用梁单元 模拟，主轴承盖用六面体实体单元模拟。也有对机 体进行分区处理，把机体从前端到后端分成几大块， 这样就可以对各块分别划分网格。 随着网格的加密，有限元的计算精度将会有所 提高，但这将会大大增加计算的时间，当网格加密到 一
1前言
车架是汽车的主要部件。深人解车架的承载特性是车架结构设计改进和优化的基础。过去汽车设计多用样车作参考,这种方法不仅费用大,试制周于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析期长,而且也不可能对多种方案进行评价。现代车架设计已发展到包括有限元法、优化、动态设计等在内的计算机分析、预测和模拟阶段。计算机技术与现代电子测试技术相结合已成为汽车车架研究中十分行之有效的方法。实践证明,有限元法是一种有效的数值计算方法,利用有限元法计算得到的结构位移场、应力场和低阶振动频率可作为结构设计的原始判据或作为结构改进设计的基础。
2车架的静态分析
力学模型的选择
有限元分析的基本思想,是用一组离散化的单元组集,来代替连续体机构进行分析,这种单元组集体称之为结构的力学模型;如果已知各个单元体的力和位移(单元的刚度特性),只需根据节点的变形连续条件与节点的平衡条件,来推导集成结构的特性并研究其性能。有限元的特点是始终以矩阵形式来作为数学表达式,便于程序设计,大量工作是由电子计算机来完成,只要计算机容量足够,单元的剖分可以是任意的,对于任何复杂的几何形状,多样化的载荷和任意的边界条件都能适应。然而,由于有限元是一种数值分析方法,计算结果是近似解,其精度主要取决于离散化误差。如果结构离散化恰当,单元位移函数选取合理,随着单元逐步缩小,近似解将收敛于精确解。因此,正确建立结构的力学模型,是分析工作的第一步
目前采用有限元分析模型一般有如下两种:梁单元模型和组合模型等。梁单元模型是将车架结构简化为由一组两节点的梁单元组成的框架结构,以梁单元的截面特性来反映车架的实际结构特性。其优点是:划分的单元数目和节点数目少,计算速度快而且模型前处理工作量不大,适合初选方案。其缺点是:无法仔细分析车架应力集中问题,因而不能为车架纵、横梁连接方案提供实用的帮助。组合单元模型则是既采用梁单元也采用板壳单元进行离散。在实际工程运用中,由于车架是由一系列薄壁件组成的结构,且形状复杂,宜离散为许多板壳单元的组集,其缺点是前处理工作量大,计算时间长,然而随着计算机技术的不断发展,这个问题已得到了较好的解决,而且由于有大型有限元软件支撑,巨大的前处理工作量绝大部分可由计算机完成,也不是制约板壳元模型实际运用的困难了。这种模型使得对车架的分析计算更为精确,能为车架设计提供更为有利的帮助。
齿轮箱有限元模态分析及试验研究报告
齿轮箱是现代机械设备中重要的组成部分，它广泛用于各种机械传动系统中，如车辆、工程机械等。因此研究齿轮箱的动力学特性对于机械传动系统的设计、优化和性能提升具有重要意义。本文通过有限元模态分析和试验研究，对齿轮箱的动力学特性进行了分析和研究。
首先进行有限元模态分析，使用ANSYS软件建立了三维齿轮箱模型，并对其进行了固有频率和模态分析。在分析过程中，设定了模型的约束和加载条件，确保模型模拟的真实性与可靠性。通过模态分析，得到了齿轮箱的固有频率和模态形态，并且确定出了前几个重要频率的数值。结果表明，齿轮箱的固有频率主要集中在数百Hz的高频段。
为了验证有限元模态分析结果的准确性，本文设计了试验验证方案。首先，使用激光精密测量仪对齿轮箱的位移进行测量，并将测试数据存储为动态位移序列。然后，基于FFT算法对动态位移序列进行频谱分析，得到齿轮箱的频响函数。最后，通过对比有限元模态分析结果与试验结果，验证模型的准确性和可靠性。试验结果表明，模型的预测结果与试验结果相符，二者的误差在可接受范围内。
综上所述，本文采用有限元模态分析和试验验证两种方法，对齿轮箱的动力学特性进行了研究。结果表明，齿轮箱具有较高的固有频率，且主要分布在数百Hz的高频段。通过试验验证，证明了有限元模态分析方法的准确性和可靠性。这些结果对于齿轮箱的优化设计、结构改进和性能提升具有重要参考价值。齿轮箱的有限元模态分析和试验研究，采用了多项相关数据。在本文中，我们主要关注以下数据：
1. 齿轮箱模型的材料性质
2. 模型的约束和加载条件
3. 模型的固有频率和模态形态
4. 齿轮箱的位移测试数据
5. 齿轮箱的频响函数
6. 模型预测结果与试验结果的误差
对于第一项数据，齿轮箱的材料性质是有限元模型分析的关键。正确的材料参数可以确保分析结果的准确性和可靠性。在本文中，我们将齿轮箱的材料定义为铸铁，其杨氏模量为169 GPa，泊松比为0.27。
