趙小剛

（陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300）

0 引言

模態(tài)分析是確定系統(tǒng)振動(dòng)特性的一種技術(shù)，它關(guān)注的是系統(tǒng)自身基本的動(dòng)力特性，是所有動(dòng)力學(xué)分析中最基礎(chǔ)的部分。

葉片工作過程中沖擊和振動(dòng)不可避免，葉片的振動(dòng)特性直接影響調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性，因此對(duì)葉片進(jìn)行振動(dòng)分析是評(píng)判調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的重要指標(biāo)。本文采用有限元分析方法，對(duì)于風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的葉片的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析計(jì)算。

1 建立葉片計(jì)算模型

論文在第三章中已采用Pro/E 軟件完成了風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所有零件的三維建模及整機(jī)裝配，本章將Pro/E 中將建立的.PRT 文件模型另存為.iges 格式后導(dǎo)入到ANSYS13.0 中，并重新進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)合并、實(shí)體產(chǎn)生、小面積的刪除等處理，以得到準(zhǔn)確的計(jì)算模型。將Pro/E 中建立的模型導(dǎo)入到ANSYS13.l 后，利用ANSYS13.1 的模態(tài)分析功能對(duì)主要零件及結(jié)構(gòu)做模態(tài)分析。所建立的葉片的計(jì)算模型如圖1 所示。

2 網(wǎng)格劃分

鑒于高階三維實(shí)體單元SOLID187 適合于CAD 中不規(guī)則的復(fù)雜模型，單元具有塑性、高彈性、蠕變、膨脹應(yīng)力剛化、大變形、大應(yīng)變等功能。因此本文選擇單元庫中的Tet 10node 187 作為葉片的實(shí)體單元。葉片的材料采用45 鋼，材料屬性中彈性模量泊松比μ=0.3、密度ρ=(7.85×10-3)kg/m3。考慮自由網(wǎng)格劃分對(duì)于單元形狀沒有限制，也沒有特殊的規(guī)則，實(shí)體模型的構(gòu)建很簡(jiǎn)單，故對(duì)所建立的計(jì)算模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，得到有限元模型如圖2 所示。

圖1 葉片模態(tài)分析的計(jì)算模型

圖2 葉片有限元網(wǎng)格模型

3 建立計(jì)算邊界條件

計(jì)算邊界條件如圖3。邊界條件施加的坐標(biāo)系見4。坐標(biāo)系為圓柱坐標(biāo)系。在與葉片垂直的表面施加均布載荷約束。

圖3 葉片模態(tài)分析的溫度條件

圖4 葉片模態(tài)分析的計(jì)算坐標(biāo)系

4 加載和求解

加載即施加約束，主要是定義對(duì)節(jié)點(diǎn)自由度的限制。針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分析要求，本文通過Define Loads 設(shè)置約束，首先將約束面設(shè)置為葉片旋轉(zhuǎn)端的軸表面，并約束所有自由度，（對(duì)話框中選擇ALL DOF）。在求解之前，先設(shè)定分析類型為模態(tài)(moda1)分析，并選擇block lanczos 作為模態(tài)提取方法。由于低階模態(tài)在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中作用更為突出，因此在模態(tài)級(jí)數(shù)和模態(tài)擴(kuò)展數(shù)文本框中輸入6，再進(jìn)行求解。通過求解計(jì)算，即可獲得葉片的6 階模態(tài)的固有頻率，如表1所示。求解完成后，采用ANSYS 的后處理功能，可讀取求解結(jié)果，顯示結(jié)果圖形或列表顯示結(jié)果。葉片分析計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。葉片各階模態(tài)及振型如圖5-圖10 所示。

表1 葉片的固有頻率計(jì)算結(jié)果

圖5 葉片1 階模態(tài)及振型

圖6 葉片2 階模態(tài)及振型

圖7 葉片3 階模態(tài)及振型

圖8 葉片4 階模態(tài)及振型

圖9 葉片5 階模態(tài)及振型圖

圖10 葉片6 階模態(tài)及振型

5 結(jié)論

計(jì)算結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)葉片的1-6 階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)避開驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)速和非驅(qū)動(dòng)端轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振。風(fēng)量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性良好。