單輪側(cè)翻式卸車平臺的模態(tài)分析

邱胤原

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州510641)

液壓卸車平臺是一種用于使得散粒料能夠自動卸車的裝置［1～2］，以實現(xiàn)普通汽車和集裝箱車對散料的快速、高效卸車［3］，在糧食儲備、中轉(zhuǎn)庫和糧油加工廠等單位已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。模態(tài)分析(Modal Analysis)亦即自由振動分析，是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。模態(tài)是機械結(jié)構(gòu)的固有振動特性，每一個模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。一般地，以振動理論為基礎(chǔ)、以模態(tài)參數(shù)為目標的分析方法，稱為模態(tài)分析［4］。模態(tài)分析有理論模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析(EMA)兩種手段方法［5］。模態(tài)分析的最終目標是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報、結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)［6］。

目前，國內(nèi)外關(guān)于卸車平臺的開發(fā)與研究主要是以后翻式為主，并且主要用增大舉升角度方式解決散粒物料，特別是一些摩擦系數(shù)較大、難以依靠自重下滑的散粒料傾卸不完全的問題。雖然其穩(wěn)定性較好，并且隨著液壓技術(shù)的發(fā)展，平臺的舉升角度可達55°～60°，很好地解決了物料傾卸不完全的問題，但是這樣的設(shè)計也使得當(dāng)前液壓卸車平臺普遍自重大、能耗多、耗時長的缺點，也由于現(xiàn)有卸車平臺的工作特點，其主要是受靜載荷的作用，對于它的動態(tài)特性的研究也比較少。

對此，本文提出了一種新型單輪側(cè)翻式振動卸車平臺，利用拉格朗日方程對其前6階無預(yù)應(yīng)力模態(tài)進行了解析求解，并利用ANSYS/Workbench軟件對其前6階無預(yù)應(yīng)力模態(tài)和前12階預(yù)應(yīng)力模態(tài)進行了有限元求解，將無預(yù)應(yīng)力模態(tài)的解析解和有限元解進行了對比，以驗證求解的準確性。從而減少平臺的重量和舉升角度，節(jié)約能耗，降低平臺的制造和使用成本。并且對平臺的固有動態(tài)特性進行了研究，說明了解析法和有限元法對于平臺固有動態(tài)特性研究的可行性，也為今后平臺進一步動力學(xué)分析研究和結(jié)構(gòu)改進打一定的基礎(chǔ)。

1 卸車平臺的幾何參數(shù)

卸車平臺由2根18 m長350×175 HN型鋼主縱梁，3根18 m長14 b號槽鋼副縱梁，18根0．818 m長16號工字鋼橫梁和1塊18 m×1 m×0．01 m鋼板焊接而成。平臺額定載荷為35 t。

2 模態(tài)解析分析

2．1 力學(xué)模型的建立

以平臺重心為原點，以垂直紙面向外為u軸正方向，根據(jù)右手定則，如建立如上u，v，w坐標系，以逆時針方向為正，設(shè)繞u軸的轉(zhuǎn)動為φ，v軸的轉(zhuǎn)動為ψ，w軸的轉(zhuǎn)動為θ，建立如圖1所示的卸車平臺力學(xué)模型。

圖1 卸車平臺的力學(xué)模型Fig．1 Mechanical model of the unloading platform

2．2 卸車平臺的運動學(xué)方程的建立

根據(jù)圖1所示的力學(xué)模型，以 u，v，w，φ，ψ，θ作為六個廣義坐標，求出系統(tǒng)的動能T為:

勢能:

耗散函數(shù)D為:

假設(shè)無外激勵作用，則拉格朗日方程可以寫成

將上述結(jié)果代入公式(4)，可得系統(tǒng)的運動方程公式(5)。

2．3 卸車平臺的模態(tài)特性解析分析

設(shè)自由振動響應(yīng)為q=Qeiωt，代入多自由度無阻尼系統(tǒng)的運動方程:

可得

將上式兩邊同乘以M-1，可得

將平臺的各個參數(shù)分別代入質(zhì)量矩陣M和剛度矩陣K，并將得到的這兩個矩陣代入式(7)［7］，將求得的矩陣特征值λ代入:

可求得前六階固有頻率見表1。

表1 振型及對應(yīng)的頻率Tab．1 Mode of vibration and their corresponding frequency

3 模態(tài)有限元分析

3．1 卸車平臺有限元模型的建立

3．1．1 材料的分配

卸車平臺材料為Q345，其屬性見表2。

表2 Q345材料屬性Tab．2 Material properties of Q345

所以在ANSYS/Workbench有限元分析中，只需給其分配Structural Steel材料即可。

3．1．2 定義接觸

在不影響精度的情況下，為簡化計算，平臺所有組件的焊接都視為理想焊接，即焊接處材料都連續(xù)且屬性為線性。故在ANSYS/Workbench中，將平臺所有的接觸都定義為Bonded。

3．1．3 定義載荷和邊界條件

為了能夠得出更按近于實際的有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果，依照裝置的實際工程流程，取卸車平臺裝置工作時，五個特殊位置分六種工況進行分析(其中0°傾角位置有兩種工況)，各工況及卸料情況見表3。

表3 平臺各工況下的傾角和卸料量Tab．3 Tilting angles and unloading quantities of the platform under each working condition

工況一:汽車傾角0°(I)。此時，汽車剛在平臺指定位置挺穩(wěn)，裝置尚未開始舉升，彈簧仍處于自由狀態(tài)。平臺靠兩根H鋼主縱梁由地面支撐。將車輪與地面的接觸面積簡化為車輪的橫截面積，并根據(jù)相關(guān)文獻［8-9］，取0．75的面積折減系數(shù)，得單個車輪與地面接觸面積為916．5 mm×295 mm。由于車輪對于平臺的切向作用力遠小于地面對它的摩擦力。故在ANSYS/Workbench中設(shè)置平臺H鋼與地面接觸部分的約束為Fixed Support(固定約束)，其加載和約束情況如圖1(a)～(b)所示。

工況二:汽車傾角0°(II);此時為平臺被舉升離開地面的瞬間，忽略物料自流的重量，此時平臺由12個彈簧支撐。由于彈簧此時處于壓緊狀態(tài)，故在ANSYS/Workbench中在平臺與12個彈簧的接觸面上設(shè)定Fixed Support(固定約束)，如圖3所示，加載情況和工況一相同。

圖2 平臺在0°傾角工況(Ⅰ)下的加載和約束情況Fig．2 Loads and constraints of the platform under 0°tilting angle condition(Ⅰ)

圖3 平臺在0°傾角工況(Ⅱ)下的約束情況Fig．3 Constraints of the platform under 0°tilting angle condition(Ⅱ)

工況三至工況六:汽車傾角10°～30°。此時平臺完全被舉升離開地面，此時平臺由12個彈簧彈性支撐。在ANSYS/Workbench中在平臺與12個彈簧的接觸面上設(shè)定Body-Ground Spring Contact(物體-地面，彈簧連接)，其加載和約束情況如圖4所示，加載情況和工況一相同。

圖4 平臺在10°傾角工況下的加載和約束情況Fig．4 Loads and constraints of the platform under 10°tilting angle condition

3．1．4 劃分網(wǎng)格

利用ANSYS/Workbench自帶的網(wǎng)格劃分功能，并采用相關(guān)網(wǎng)格控制命令，可得如圖5所示平臺的有限元模型，共有225 357個節(jié)點，32 484個網(wǎng)格。

圖5 平臺的有限元模型Fig．5 Finite elements model of the platform

3．1．5 卸車平臺的模態(tài)分析

(1)卸車平臺的無預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

利用ANSYS/Workbench的Modal模塊對卸車平臺進行無預(yù)應(yīng)力的模態(tài)有限元計算分析，設(shè)置好約束、載荷等邊界條件，進行求解，得到利用有限元法求得模態(tài)值以及它們與解析解的對比見表4。

表4 平臺模態(tài)頻率有限元解及它與解析解的對比Tab．4 FEM solutions of the platform's modal frequency and its comparison with analytical solutions

從上表中可以看出，有限元仿真解與解析解的最大誤差為18．3%，由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，劃分的網(wǎng)格尺寸也比較大，且在對平臺進行建模時，將平臺簡化為了一個剛體，固有頻率的解析解和實際值也存在一定的誤差，階次越高，這個誤差也越大，所以，只要兩者的相對誤差值在20%就是可以接受的，說明以上平臺模態(tài)的解析計算和仿真都是正確的。

有限元前6階無預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型如圖6所示。

(2)卸車平臺的預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

為了使得模態(tài)分析結(jié)果更準確，采用帶有預(yù)應(yīng)力的模態(tài)分析方法對卸車平臺的結(jié)構(gòu)模態(tài)進行分析研究。由于結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對于它的動態(tài)特性有著最重要的影響，所以，本文提取卸車平臺在汽車傾角分別為 0°(兩種工況)、10°、20°、25°、30°工況下的前12階模態(tài)進行分析。通過計算分析，可得平臺在各個工況下的前12階預(yù)應(yīng)力模態(tài)頻率分布見表5。

表5 平臺在各個工況下的前12階模態(tài)頻率分布 HzTab．5 Platform's frequency distribution of first 12 order modes Hz

通過表5可以看出對于第一種和第二種汽車傾角0°工況，由于它們的邊界條件和其他工況不同，且它們倆各自的邊界條件也不同，所以，它們自己之間以及它們和另外四種工況之下的模態(tài)頻率相差很大，并且固有頻率都較高，第一種汽車傾角0°工況的各階頻率比第二種汽車傾角0°工況的均要高很多。

而對于汽車傾角10°～30°工況而言，一般情況下，它的前六階固有振型為剛體運動，其前三階剛體運動模態(tài)固有頻率為0Hz原因可能為運動方向上沒有約束;第四到第六階模態(tài)振型的運動方向存在約束，所以第四階固有頻率相對于第三階有了一個劇烈的上升，并且第四、第五和第六階模態(tài)固有頻率相差不大;從第七階到第十二階模態(tài)的固有振型主要就為平板自身的振動，即柔性體運動，但是它們的固有頻率依然不高，最大不超過50Hz，因此可以看出，在汽車傾角10°～30°工況下，平臺的低頻特性較為明顯，在給平臺施加激振力的過程中，要盡量避開低頻區(qū)域。

圖6 平臺的有限元前6階無預(yù)應(yīng)力模態(tài)振型Fig．6 First 6 order non-prestress modal modes of vibration of the platform by FEM

4 結(jié)論

本文建立了卸車平臺進行力學(xué)模型，并且通過拉格朗日方程建立了平臺的振動動力學(xué)方程。先是對其進行了無預(yù)應(yīng)力的模態(tài)解析求解，得出了其前六階模態(tài)頻率和振型。接著在ANSYS/Workbench中對卸車平臺進行了無預(yù)應(yīng)力模態(tài)有限元分析，并將結(jié)果和解析結(jié)果進行對比。就模態(tài)頻率而言，最小誤差為0%，最大誤差為18．8%，其中前五階的最大誤差為1．9%;就模態(tài)振型而言，解析解和有限元解是一致的。平臺前三階模態(tài)頻率都為零，從振型中，可以發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生的原因在于平臺在這幾個方向上沒有約束;對于第四到第六階模態(tài)頻率，它們都不高，之間相差不大，可能是由于平臺是由彈簧支撐的緣故。對卸車平臺載不同工況下進行了預(yù)應(yīng)力模態(tài)有限元分析，得出了更接近于實際的預(yù)應(yīng)力模態(tài)頻率和振型。為今后平臺的設(shè)計和改進，特別是振動方面的，提供了重要的參考。

［1］朱 強，秦東晨，姚向豫．基于ANSYS的液壓支架掩護梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］．煤礦機械，2012，33(4):2-4．

［2］張少雄，喻之凱，向林浩．基于等強度板格穩(wěn)定的船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究［J］．船海工程，2008，37(1):19-22．

［3］張子強．基于有限元分析的液壓翻板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及研究［D］．鄭州:河南工業(yè)大學(xué)，2012．

［4］李 猛．大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋模態(tài)分析與測試［J］．山西建筑，2013，39(10):146-147．

［5］曹樹謙，張文德，蕭龍翔．振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析——理論實驗與應(yīng)用(2版)［M］．天津:天津大學(xué)出版社，2014．

［6］楊劍輝．結(jié)構(gòu)阻尼時域識別方法的研究［D］．武漢:武漢理工大學(xué)，2007．

［7］成建平．滾動直線導(dǎo)軌結(jié)合面耦合的動力學(xué)仿真［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2013．

［8］袁 敏．牽引式升降轉(zhuǎn)運平臺有限元分析及拓撲優(yōu)化［D］．成都:西華大學(xué)，2014．

［9］欒陸杰，吳世雄，鐘文旗，等．小型數(shù)控雕刻機橫梁結(jié)構(gòu)的有限元分析［J］．林業(yè)機械與木工設(shè)備，2014，42(3):14-17．