基于有限元法的立式泵底座模态分析

王俊麟，魏凌霄，袁晓波，范祖相，周庆

（上海齐耀动力技术有限公司，上海 201203)

模态分析是结构动力学仿真分析中的重要环节，能够很好地通过仿真分析得出结构的各阶模态特性，进而分析结构在实际工程应用过程中产生的实际振动情况，是工程设计中重要的分析手段。模态分析能够有效提升了设计质量，直接降低设计成本。

目前，国内相关结构振动分析采用有限元模态分析方法较多，从设计角度解决了避免结构共振的问题，北京工业大学万山秀等人在复合材料车架的模态分析中通过对车架加载不同边界条件，分析其一阶至十阶模态及模态振型，初步评价整体结构发生共振，并做了性能评估。重庆交通大学杨雅怡等在汽车顶棚振动特性的研究及优化中通过模态分析等途径分析其动力学特性，解决汽车顶棚低频振动大的问题，并通过声振耦合等方法在模态分析的基础上进行声学分析，并提出了汽车顶棚的设计改进方法。

本文是基于原有水泵试验台底座进行振动特性分析，原有水泵试验台底座（如图1所示）有如下问题：泵运行过程中发现45～55Hz频段振动大，初步分析原因是底座结构模态频率与水泵转频，设计不合理，需要分析底座的固有频率和模态特性，进而提出解决方案。

1 边界条件设定

原底座由四个H钢和一个底板组成，底座上表面为安装面，底座长宽高为840mm×700mm×1381mm，重量为305kg。

图1 原底座模型

采用Creo2.0软件对原底座进行建模，原底座与地面通过螺栓固定，四个螺栓固定部位为固定约束，底座上方安装面用于支撑水泵，水泵重量约150kg，如图1所示。

2 原底座模态仿真分析

通过有限元软件对原底座模型进行网格划分，网格宽度为20mm，并通过静力学分析对模型进行数值模拟仿真，分析原底座的模态特性和模态振型。

通过模态分析，分析其前12阶模态参数，模态参数详见表1。

表1 原底座模态参数 Hz

从表1可以看出，原底座在4～6阶频率处存在典型振型，主要振型如图2所示。

其安装面振动变形最大，直接影响水泵运行，与水泵转频（50Hz）产生共振。

3 底座优化改进

原底座在低频附近存在振型，提高底座刚度可以提高底座的振动频率，对底座提出改进方案，在底座四个H钢四周侧面增加筋板，增加水平方向和上部的稳定性，改进后的模型如图4所示，改进后外形尺寸保持不变，重量为344kg。

图2 原底座在50Hz附近的振型

图3 改进后底座模型

采用同样的模态分析方法对改进后底座进行数值仿真分析，即给定边界条件为四个螺栓固定部位为固定约束，改进后底座前12阶模态参数，模态参数详见表2。

表2 改进底座模态参数 Hz

从表2可以看出，增加底座四周筋后，整体结构的刚度增强，振动频率避开了50Hz，和水泵转频不产生共振，改进底座一阶振动频率67.1Hz处振型如图4所示，由图4可以看出，底座整体结构稳定，能够为水泵稳定运行提供保障。

图4 改进后底座应力分布

4 结语

本文采用模态分析的方法对水泵底座的振动振型和频率进行分析，结合实际使用工况，提出了改进方案，改进后的底座由于刚性提高，整体振动频率大幅度提高，通过振型可以看出，离50Hz最近的一阶振型整体振型平稳。

本文提供的方法可以广泛应用于水泵底座设计，通过模态分析，分析底座振型和水泵典型频率是否存在共振，据此判断底座设计是否合理。