某支撑台结构特性分析
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摘 要
支撑台是某大型实验装置的重要组成部分，其静动态特性指标参数直接影响着该实验装置的工作可靠性。本文以该实验装置的支撑台金属结构为研究对象，基于有限元法，借助ANSYS软件对其开展静、动态特性分析。通过分析得出，该支撑台金属结构在工作载荷作用下，绝大部分区域承受的最大工作应力小于材料的许用应力。该支撑台金属结构的前六阶模态固有频率值分别为：32.377、32.377、51.58、73.003、142.78、142.78 Hz。
关键词
支撑台金属结构;静态特性;动态特性;模态分析;有限元法
中图分类号： TH21 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.047
0 引言
支撑台是某大型实验装置的重要组成部分，主要起支撑其他重要部件的作用，在工作时，支撑台主要承受上方重物引起的垂向载荷。在垂向载荷作用下，支撑台会出现一定程度的变形，当变形较大时会影响台面的使用性能，同时，由于加工精度、安装误差等原因，支撑台会承受来自各个方向的随机振动，当外界振动载荷的频率与结构的固有频率接近时就会引发共振，严重影响实验装置的工作精度。因此，在进行支撑台结构设计时非常有必要对其静动态特性进行深入的分析。在以往的各类机械结构设计中，相关的工程研究人员都开展过类似的分析，并取得了一系列有益的成果。赵文涛等人[1]为了获取了结构的固有频率和振型，对某门式起重机的动态特性进行了分析。朱涛[2]在结构特性分析基础上利用软件对某桥式起重机主梁进行了优化。王帅等人[3]借助大型通用有限元软件ANSYS对某立柱式吊车金属结构的静强度、静态变形、抗倾覆稳定性等静态特性指标进行分析。李礼夫等人[4]提出了基于静动态特性的校车底盘车架结构多目标拓扑优化设计方法，利用Hyper Works软件对底盘车架结构进行了多目标拓扑优化。刘传进等人[5]利用ANSYS Workbench软件对某高速龙门加工中心立柱的静态与动特性进行了分析。卢正伟[6]借助有限元法对某滑动轴承座得到静动态特性进行了分析，获取了结构的应力云图、位移云图、固有频率及五阶振型。阎力等人[7]以某赛车车架为研究对象，对其进行多工况下的静态结构与自由模态分析。郑雷等人[8]利用Ansys软件对某收割机底盘车架结构进行了限元分析，获得了满载弯曲、满载扭曲等四种工况下的整体钢强度特性。本文以某大型实验装置的支撑台金属结构为研究对象，利用有限元软件ansys，对其静、动态特性进行分析，获取其静强度、静刚度、固有频率及振型等指标参数，分析结果为该支撑台金属结构的后续优化设计提供了理论参考。
1 支撑台金属结构有限元模型
该支撑台为某大型实验装置的重要组成部分，其材料为Q460，密度为7.85×10-6kg/mm3，泊松比为0.3，弹性模量为2.1×105MPa，屈服强度为345MPa，进行强度校核时，取安全系数1.34，则该材料的许用应力为343MPa。
在分析前，先在有限元软件ANSYS中建立该支撑台金属结构的有限元模型。建模时，为了提高分析效率，在不影响计算精度的前提下忽略了支撑台上的倒角、螺纹连接等结构。实体模型建立后，采用solid45实体单元来模拟，整个支撑台实体结构比较规则，因此采用映射方式对其进行网格划分，整个模型被离散为1625个单元，2256个节点。离散后的支撑台金属结构有限元模型如图1所示。
2 支撑台金属结构静态特性分析结果
在建立支撑台金属结构有限元模型后，按照实际工作状态对其进行约束和加载。支撑台金属结构的约束条件如下：支撑台支腿部分固定安装在地面上，故将所有支腿底部节点全约束。支撑台工作时，主要通过台面承受来自上方的重量，因此，计算时，将上方物体的重量以均布载荷的方式加载至台面，通过计算得出该支撑台金属结构在工作载荷作用下的工作应力（如图2所示），图3给出了支撑台金属结构在工作载荷作用下的变形云图。
从图2可以看出，该支撑台金属结构在工作载荷作用下，最大应力发生在支腿和台面连接位置，最大应力值约为785MPa，其值超过了材料的许用应力值，该区域产生较大应力主要是由应力集中现象造成，除去该应力集中区域，结构其他部分应力最大值约为300MPa，小于材料许用应力，因此，根据强度校核条件，可以认为该支撑台金属结构的强度是符合使用要求，只是需要在支腿和台面连接处进行补强设计。
3 模态分析结果
基于有限元法的结构动力学分析类型有很多，应用比较广泛的有模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析等，其中，模态分析主要用于求解结构的固有频率和振型，它是开展其他类型动力学分析的基础。
本文利用兰斯索斯法[9]对该支撑台金属结构进行模态分析，来获取该支撑台金属结构的固有频率和模态振型。考虑到对结构动态特性影响较大的是低阶模态，而高阶模态对结构动态响应的影响相对较小，为了提高分析效率，本文在分析时定义模态提取及扩展阶数为六阶。表1给出了该支撑台金属结构的前六阶固有频率值，对应的各阶振型如图4所示。
从图4可以看出，该支撑台金属结构的各阶振型表现如下：第一阶振型主要为支撑台金属结构在YZ平面内的摆动，第二阶振型主要为结构在XY平面内的摆动，第三阶振型主要为主梁在XZ平面内的扭转，第四阶振型主要为结构的一阶弯曲振动，第五阶振型和第六阶振型主要为结构的二阶弯曲。
4 结论
本文以某大型实验装置的支撑台金属结构为研究对象，利用有限元软件ANSYS对该支撑台金属结构的静、动态特性进行了分析，得到了该支撑台金属结构在工作载荷作用下的工作应力、模态固有频率及振型等特性参数。通过分析得出如下主要结论。
（1）除去支腿和台面连接处的应力集中区域，该支撑台金属结构在工作载荷作用下的最大工作应力值在300 MPa左右，小于材料的许用应力。
（2）该支撑台金属结构在约束状态下的前六阶固有频率分别为32.377、32.377、51.58、73.003、142.78、142.78 Hz，对应的模态振型表现为：第1和第2阶振型主要为该支撑台金属结构的摆动振型，第3阶振型主要表现为结构的扭转振型，第4阶振型主要表现为结构的一阶弯曲振型，第5和第6阶振型主要表现为结构的二阶弯曲振型。
参考文献
[1]赵文涛，余峰，吴畏，等.基于ANSYS的门机金属结构系统动态特性分析[J].机械，2018，45（4）：27-31.
[2]朱涛.基于几何参数的桥式起重机主梁优化[J].重型机械，2018（5）：70-73.
[3]王帅，张晓玉，赵文涛，等.基于有限元法的立柱式吊车结构静态特性分析[J]. 机械研究与应用，2019（2）：29-31.
[4]李礼夫，许树龙.校车底盘车架结构静动态特性拓扑优化设计研究[J].机械设计与制造，2016（5）：9-13.
[5]刘传进，郭永海.高速龙门加工中心立柱静态设计与动特性分析[J].现代机械，2015（4）：1-5.
[6]卢正伟.基于有限元法的滑动轴承座静动态特性分析[J].机械研究与应用，2014（1）：33-35+38.
[7]阎力，史青录，连晋毅.FSC賽车车架的静态结构与模态分析[J].太原科技大学学报，2017（2）：98-103.
[8]郑雷，周海，曾勇，等.某履带式收割机底盘车架静态分析与结构改进[J].机械设计与制造，2017（3）：228-232.
[9]张朝晖.ANSYS 12.0结构分析工程应用实例解析[M].3版.北京：机械工业出版社，2010.
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