基于ANSYS仿真优化的压路机机架设计

李鹏飞

(江苏省交通技师学院车辆工程系,江苏镇江 212127)

基于ANSYS仿真优化的压路机机架设计

李鹏飞

(江苏省交通技师学院车辆工程系,江苏镇江 212127)

为了对压实设备的机架进行合理的结构设计,进而提高压实设备整机的工作性能并改善路面质量,以手扶式压路机为样机,运用ANSYS软件对其机架进行了静力分析和振动模态分析,并计算其受力变形.结果表明:静态载荷下机架各处位移较小,应力均低于机架的屈服强度;机架最低阶固有频率为47．466 Hz,其余固有频率均大于60 Hz;样机工作频率小于机架的固有频率,不会发生共振.机架的设计具有一定的合理性.

机架结构设计;静力分析;模态分析;共振

0 引 言

不管是道路建设还是道路养护,路面压实是保证质量的一个关键因素,而压路机性能的优劣是保证压实质量的前提[1-5].在压路机中,机架直接或间接地支承机器的其他零部件,保证各零部件具有确定的相互位置,并将整机的质量及机器工作时所承受的各种作用力传递给基础,使机器稳定在基础上承受设备内力,是压路机中承上启下的关键部件[6-10].因此,机架必须具有足够的动、静强度和刚度,以保证压路机的正常作业及作业质量.

对压实样机机架的有限元分析,可模拟真实情况下机架的应力分布和变形情况;因此,在增加机架的可靠性、提高产品质量、缩短开发周期、模拟试验方案、减少试验次数、降低成本等方面具有重要意义[11-15].本文以小型手扶式振动压路机为例,对其机架进行ANSYS仿真设计,采用静态分析校核其强度和刚度,并通过模态分析得到机架振动的固有频率及相应振型,从而进一步优化设计方案,降低原材料成本,实现用最少的材料生产最可靠的机架产品,为压路机的开发提供一定参考.

1 模型的建立

力学分析的方法可以分为解析法和数值法两类.解析法只能解决一些方程性质比较简单且几何边界相当规则的少数问题.数值法中应用最为广泛的是有限单元法(FEM,Finite Element Method)[16].即通过建立压路机机架的计算模型,对机架的各种工况进行受力分析和有限元分析,并计算得出机架在各种工况下的结构信息,如应力、变形等情况;还可以直观地在计算机上看到机架在受载后的弹性变形情况,为合理的设计提供形象的依据;同时,对机架应力、变形的分析和比较,能够为产品的完善设计提供有意义的建议.

因此,本文在Pro/E下建立三维模型,依据压路机实际受力状况建立有限元模型,然后导入ANSYS Workbench中进行计算.在ANSYS仿真计算中,网格精度是一个关键,决定着最终计算的速度和精确率[17].为了获得高质量网格以及准确、快速的计算,需要对机架结构进行一些简化及假设.

(1)在不影响结构强度和刚度的基础上,删除零件中的倒角、倒圆角、孔及螺栓、螺钉等细节特征.

(3)不考虑焊缝对结构材料性能及变形的影响.

(4)忽略将减振块视为刚性材料对计算结果产生的影响.

(5)忽略扶手对计算结果产生的影响.

最终得到简化后的机架模型如图1所示.

图1 机架整体结构几何模型

2 机架静力学分析

2．1 定义材料属性

机架用来安装电机并支撑钢轮,其结构主要由钢板相互焊接或由螺栓连接而成.本文压实样机机架结构材料选用Q235钢,根据《机械工程材料》查得Q235钢的材料属性,如表1所示.

首先对所需数据量进行分析.由于矩阵V的行数L越大，式(13)中近似得到的高斯分布越准确，当接收数据量无穷大时，理论上总是能完成识别.但在实际应用环境下，截获数据量总是有限的.因此，需要对不同误比特率下识别所需的数据量进行分析.

表1 机架结构材料属性

2．2 网格划分

对于三维几何模型而言,软件中提供了自动网格划分、四面体网格划分、六面体网格划分、扫掠法等多种网格划分方法.本文对整个装配体采用自动网格划分方法,然后对关键区域已经划分的网格进行单元细化.这里使用软件默认的20节点六面体单元(Solid 186)类型,机架网格模型如图2所示.

图2 机架网格模型

2．3 边界条件

压实样机进行实际组装时,机架向下支撑着2个振动轮,向上支撑电机和风机等装置.进行静力分析时,将机架视为静止状态,此时与地面接触的4个机架支撑板支撑着整个机架.因此,应对机架4个支撑板底面采用Fixed Support模拟.

在实际工作时,压实样机整个机架受力相对简单.忽略人对扶手的推力作用,整个机架分别承受着电机、风机等装置的重力作用以及2个振动轮在某一瞬时的激振力作用.

对机架在最恶劣情况下的静力特性进行分析,此时激振力的最大值为2 550 N,电机、风机等的重力分别为340、360、510 N.那么,上面支撑板在Y方向的受力分别为340、360、510 N.

在实际中,激振力在某一瞬时并不是单纯地作用在一个点上,而是作用在支撑轴旋转的平面上.因此,施加载荷时可将激振力视为均布载荷.设计中取支撑板圆孔的直径分别为52 mm和110 mm,则

式中:P1为直径为52 mm时的均布载荷(Pa);F1为直径为52 mm时的激振力(N);S1为直径为52 mm时的支撑板面积(m2);P2为直径为110 mm时的均布载荷(Pa);F2为直径为110 mm时的激振力(N);S2为直径为110 mm时的支撑板面积(m2).

假设此瞬时激振力向下,则机架左支撑板和右支撑板在Y方向的受力分别为0.975 MPa和0.46 MPa.在Solution Information导航项中添加相关的求解结果选项,然后进行求解.

3 静力学计算结果及分析评价

对机架的结构静力分析求解后,分析并评价其输出结果.

3．1 位移分析评价

在静载荷下机架各个部件出现变形在所难免,但如果在某些部位出现过大的变形则会使机器产生故障,降低工作效率.图3为机架总变形.

图3 机架总变形

由图3可以看出,机架上支撑板由于承受电机等的重量,大部分区域产生变形.其中,深色区域为最大变形量,发生在靠近振动侧,值为0.55 mm;向外呈现递减的趋势.出现这种现象的原因有2个:一是振动电机偏心放置,二是驱动电机、风机等的布置较为紧密.虽然产生变形的区域很大,但是变形量都较小,总体来说对机架产生的影响不大.

3．2 应力分析评价

应力分布主要用来分析机架自身结构的合理性,对机架应力的分布情况进行分析不仅可以为机架结构的合理性提供理论支撑,而且为机架结构的设计及改进提供一定的依据.图4为机架等效应力分布云图.

从机架的应力分布云图可以看出,机架的等效应力分布较为均匀,大部分区域在25 MPa以下.最大等效应力出现在上支撑板的4个角落,约为35 MPa.这几个位置正是电机、风机等与支撑板的螺栓联接处,可见在这几处出现了应力集中现象.

压实样机机架的材料选用Q235钢,其极限应力为235 MPa.而由以上分析可知,机架失效危险区应力水平在35 MPa左右,远小于材料的极限应力.因此,机架的强度满足设计要求.

图4 等效应力分布动云图

4 机架模态分析

模态分析主要用于确定机构或机器部件的振动特性——结构的固有频率和振型.求固有频率和固有振型就是求特征值和特征向量的问题,所求特征值是结构振动的振型对应的频率,特征向量是结构振动的振型.在机架设计、使用过程中要避免与外界激励发生共振,以免造成机器的破坏.对机械系统建立有限元模型,采用动力缩减技术后其结构动力学分析的有限元方程为

式中:M为构件总质量矩阵;K为构件总刚度矩阵; C为构件总阻尼系数矩阵;为强迫运动速度;为强迫运动加速度为模态速度;为模态加速度;fi为主动力;Rs为反作用力.

求解式(1)可得到结构振动系统的固有频率、振型等结构固有特征,以及位移、速度、加速度、应力、应变等动力响应.通过机械结构有限元模型的模态分析确定结构部件的频率响应和模态,进一步确定影响结构动态性能的关键模态频率,并以此作为动态优化的重要目标函数.

在压路机机架模态分析中,遵照静态力分析下的数据进行计算,得到机架前六阶固有频率,如表2所示,各阶振型如图5～10所示.

图5为机架一阶振型图,固有频率为47．466 Hz,主要表现形式为机架中上部Z向摆动,最大摆幅为4.6 mm.图6为机架二阶振型图,固有频率为83.496 Hz,主要表现形式为机架上支撑板Y方向摆动,最大摆幅约为14.8 mm.已知压实样机要求的工作频率是10～25 Hz,小于机架的一阶固有频率,因此样机在工作状况下一般没有共振的危险.

表2 机架前六阶固有频率

图5 一阶振型

图6 二阶振型

图7 三阶振型

图8 四阶振型

图9 五阶振型

图10 六阶振型

总体来讲,样机机架固有频率分布较为密集.通过振型图可以看出,机架下支撑板振幅偏大,是设计的薄弱部位.下支撑板支撑着上支撑板及电机、风机等,因此需要适当加强下支撑板结构强度,保证电机等的工作稳定性.

5 结 语

本文利用ANSYS Workbench对样机机架进行静力分析和模态分析,得到机架变形、应力分布及机架的振动特性.机架的静力学分析表明,机架整体结构比较合理,静态载荷下机架各处位移都比较小,各处应力均低于机架材料的屈服强度.模态分析表明,机架的最低阶固有频率为47．466 Hz,其余阶固有频率均大于60 Hz.机架的质量分布较均衡,整体刚度较为合理.样机工作频率小于机架的固有频率,因此不会发生共振,机架的设计具有一定的合理性.

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[责任编辑:王玉玲]

Design of Roller Frame Based on ANSYSSimulation and Optimization

L
I Peng-fei
(Department of Vehicle Engineering,Jiangsu Jiaotong College,Zhenjiang 212127,Jiangsu,China)

In order to rationalize the design of roller frame,thereby improving the work performance of the roller and the quality of roads,the static analysis and vibration modal analysis of the frame were carried out by means of ANSYS based on a prototype of hand-held roller,and the mechanical deformation was calculated．The results show that the displacement of the frame is small under static load,and the stress is lower than the yield strength of the frame;the lowest natural frequency of the frame is 47．466 Hz,and the remaining natural frequencies are higher than 60 Hz;the working frequency of the prototype is lower than the natural frequency of the frame,and no resonance occurs．The design of the frame is of rationality．

design of roller frame;static analysis;modal analysis;resonance

U415．521

B

1000-033X(2017)05-0094-04

2016-11-03

李鹏飞(1981-),男,黑龙江牡丹江人,讲师,研究方向为车辆工程.