引言
結(jié)構(gòu)支座作為多向活動部件的連接裝置，主要受來自復(fù)雜部件的載荷的作用力，由于載荷力復(fù)雜多變，且局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象存在，導(dǎo)致接觸面產(chǎn)生不規(guī)則的破壞。以前的設(shè)計方案基本是粗略的，對于結(jié)構(gòu)尺寸不能做到很精確的設(shè)計，使用效果并不理想。本文利用Pro/E三維設(shè)計軟件對結(jié)構(gòu)支座進行參數(shù)化建模，將 Pro/E建立的三維模型轉(zhuǎn)化為.igs格式文件，然后導(dǎo)入到ANSYS中，對其進行網(wǎng)格劃分，以得到結(jié)構(gòu)支座的有限元模型。有限元分析方法是一種在工程分析中常用的解決復(fù)雜問題的近似數(shù)值的分析方法，ANSYS程序中加入了許多新的技術(shù)，非線性、子結(jié)構(gòu)以及更多的單元類型被加入程序，從而使程序具有更強的通用性。同時，ANSYS還提供了強大和完整的聯(lián)機說明系統(tǒng)詳盡的聯(lián)機幫助系統(tǒng)，使用戶能夠不斷深入學(xué)習(xí)并完成一些深入的課題。并因在機械結(jié)構(gòu)強度和剛度分析方面具有較高的計算精度而得到普遍應(yīng)用。本文將分析在載荷的作用下，支座的變形、應(yīng)力以及模態(tài)分析等，并顯示強大的ANSYS的求解結(jié)果。
1結(jié)構(gòu)支座有限元模型的建立
1.1 結(jié)構(gòu)支座三維模型的建立
使用Pro/E Wildfire 4.0建模，建模后保存.igs格式副本文件存盤，這種格式幾乎是所有CAD軟件都可以識別的，再將建立模型導(dǎo)入到ANSYS中。用Pro/E建立的結(jié)構(gòu)支座模型，如圖一所示。
圖一 結(jié)構(gòu)支座模型
為了方便計算機進行模擬分析，把模型進行了簡化，忽略一些小圓角或者是小圓孔，不影響模型的主形體。
1.2 導(dǎo)入三維模型
本文分析目標為結(jié)構(gòu)支座模型，模型采用Pro/E三維模型導(dǎo)入ANSYS中。導(dǎo)入后模型如圖二所示。
圖二 導(dǎo)入后的模型
1.3 建立有限元模型
定義單元類型為Solid 10node 92,材料為Q235,彈性模量E=200Gpa,泊松比為0.3，并對其進行網(wǎng)格劃分，定義網(wǎng)格尺寸為15。得到如圖三所示的有限元模型。
圖三 有限元模型
1.4 載荷與邊界約束
結(jié)構(gòu)支座所受均布載荷在φ150圓孔下半圓柱面法線方向，均布載荷大小為q=20kN/m2,
位置約束為其底座孔，對其進行固定約束。
(1) 約束四個安裝孔:
Main Menu:Solution→Define Load→Apply→Structural→Displacement→Symmetry B.C.→On Areas+ 拾取四個安裝孔的8個圓柱面→ OK
(2)在整個基座的底部施加位移約束(UY=0):
Main Menu: Solution→Define Load→Apply→Structural→Displacement →on Lines +
拾取基座底部的所有邊線，選擇 UY 作為約束自由度→OK。
（3）在φ150圓孔的的下半圓柱面施加法向均布載荷：
Main Menu: Solution→Define Load→Apply→Structural→Pressure→On Areas→拾取球形接觸面→Apply→輸入壓力值20000→OK。
2 結(jié)構(gòu)支座的剛度、強度分析
2.1 求解結(jié)構(gòu)支座的變形
有限元模型建立后，進行了材料參數(shù)的設(shè)定以及載荷的施加，則可以得出結(jié)構(gòu)支座的變形。如圖四所示。
圖四 結(jié)構(gòu)支座的變形圖
2.2 結(jié)構(gòu)支座的Von Mise等效應(yīng)力圖
Von Mise等效應(yīng)力圖：
Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu
選擇Von Mise Stress,則可以得出Von Mise等效應(yīng)力圖。如圖五所示。
圖五 Von Mise應(yīng)力圖
2.3 結(jié)構(gòu)支座的最大應(yīng)力和最大位移
由以上求出的結(jié)構(gòu)支座變形圖和Von Mise應(yīng)力圖可知，最大應(yīng)力集中在肋與底座的接觸地方。所以在設(shè)計的時候，此次要注意合適的結(jié)構(gòu)類型。
3結(jié)構(gòu)支座的模態(tài)分析
3.1 模態(tài)分析的內(nèi)容、應(yīng)用及意義
模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性一種近代方法，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。這些模態(tài)參數(shù)可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態(tài)分析。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態(tài)分析；如果通過試驗將采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號經(jīng)過參數(shù)識別獲得模態(tài)參數(shù)，稱為試驗?zāi)B(tài)分析。通常，模態(tài)分析都是指試驗?zāi)B(tài)分析。振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性。通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng)。因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法。
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)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。
模態(tài)分析技術(shù)的應(yīng)用可歸結(jié)為以下幾個方面：
1) 評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性；
2) 在新產(chǎn)品設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計；
3) 診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障；
4) 控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲；
5) 識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。
模態(tài)分析是用于確定部件和組裝件的固定頻率，是動力學(xué)分析的起點，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。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)報以及結(jié)構(gòu)動力特征的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。
3.2 前五階固有頻率
在進行模態(tài)分析時，使用Block Lanczons法，模態(tài)數(shù)量設(shè)置為5，擴展模態(tài)也設(shè)定為5，再進行求解，可以查看結(jié)果。列出固有頻率，如圖六所示。
3.3 前五階模態(tài)振型圖
顯示各階頻率振型圖：
Main Menu→General Postproc→Plot Results→Contour Plot→Nodal Solu,選擇Nodal Solution→DOF Solution→Displace vector sum,就可以顯示振型圖，如圖七所示為前五階模態(tài)的振型圖。
圖七 前五階模態(tài)的振型圖
4總結(jié)
本文通過Pro/E軟件建立結(jié)構(gòu)支座的三維模型，保存為.igs文件將三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，在ANSYS中對其進行強度和剛度的校核及模態(tài)分析。從圖中可看出，載荷主要集中在結(jié)構(gòu)支座的底座與肋連接處，所以要對該處進行載荷保護，可通過變換材料，熱處理等方法加強該處強度。ANSYS的分析，為以后的的結(jié)構(gòu)支座結(jié)構(gòu)強度分析節(jié)省了時間，驗證方案的可行性，為結(jié)構(gòu)支座的進一步優(yōu)化提供了依據(jù)。
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