基于模態(tài)分析的機(jī)柜框架優(yōu)化設(shè)計(jì)

hahaer2010

摘 要：介紹電力電子設(shè)備的抗震要求，及常用模態(tài)求解方法。重點(diǎn)運(yùn)用ＡＮＳＹＳ進(jìn)行某框架剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對有限元分析加以證明。?
　　關(guān)鍵詞：抗震；模態(tài)；ANSYS；有限元?
; W& O8 E: {0 C' P% J　　
, }/ _4 [  s4 `% z- S# O5 _- X5 Z　　電子電力設(shè)備在使用過程中要經(jīng)受惡劣的環(huán)境，在振動(dòng)環(huán)境下，由于振動(dòng)的疲勞效應(yīng)及共振現(xiàn)象，可能出現(xiàn)電性能下降、零部件失效、疲勞損傷甚至破壞的現(xiàn)象；特別是戶外用電子通訊設(shè)備在地震發(fā)生時(shí)，如能夠抵抗地震沖擊帶來的破壞，則能夠在抗震防災(zāi)中發(fā)揮巨大作用。因此對戶外用電子電力設(shè)備的可靠性提出了嚴(yán)格要求，要求其具備一定抗振動(dòng)與沖擊的能力。在新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中通常用模態(tài)分析技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的估計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)。這一過程要得到系統(tǒng)的固有振動(dòng)特征，然后在給定的使用或振動(dòng)環(huán)境中進(jìn)行評估，根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。?
　　
　　1 常見模態(tài)分析方法
- _  m( G9 T* ^9 {- J1 U　　?
, \6 S% d! c: w6 p' e9 |+ w/ V　　1.1 理論求解法?
/ E4 e! O1 ]* a2 G　　理論求解是一種傳統(tǒng)的求解途徑。對于一些理想的簡單彈性振動(dòng)，可以用模態(tài)分析理論得到精確解。特別是可簡化為單自由度的振動(dòng)系統(tǒng)可以方便的求解。對于多自由度系統(tǒng)，特別是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法進(jìn)行理想化時(shí)，其質(zhì)量矩陣和剛度矩陣無法通過簡單的理論計(jì)算來獲得，也就無法使用理論法來求解。?
　　1.2 試驗(yàn)法?
　　試驗(yàn)法是最直接的獲得系統(tǒng)固有特征的方法。試驗(yàn)裝置包括振動(dòng)臺(tái)、信號(hào)發(fā)生器、傳感器、信號(hào)采集系統(tǒng)、頻譜分析儀等。由于其需要實(shí)物原形，至少是模型結(jié)合相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備來進(jìn)行，周期長，耗費(fèi)較高的人力、物力等資源，很難在普通項(xiàng)目中運(yùn)用。?
　　1.3 有限元法?
　　有限元法實(shí)質(zhì)上是一種在力學(xué)模型上進(jìn)行近似的數(shù)值計(jì)算方法。連續(xù)體結(jié)構(gòu)體系本身內(nèi)部不存在自然的連接關(guān)系，需要人為地在連續(xù)體內(nèi)部和邊界上劃分節(jié)點(diǎn)，以分片（單元）連續(xù)的形式來逼近原來復(fù)雜的幾何形狀。線性有限元法是一種利用位能變分和分割近似原理求解線性彈性力學(xué)問題的數(shù)值方法。它首先把連續(xù)彈性體分割為在節(jié)點(diǎn)上相連的單元組合體，然后以節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量，分別在各單元內(nèi)選取位移函數(shù)，并按線性彈性力學(xué)的幾何方程、本構(gòu)方程和虛功方程或位能變分方程，建立并求解關(guān)于位移的線性代數(shù)方程組，把無限個(gè)自由度的問題化為有限自由度問題。隨著有限元法的快速發(fā)展相繼出現(xiàn)了許多有限元法的應(yīng)用程序，如：ANSYS、I-DEAS、ADAMAS等。其中ANASYS是高校及工程界普遍使用的分析軟件。?
" Q* }7 _0 E% g5 m; ?　　
　　2 模態(tài)分析實(shí)例?
0 j, I2 }' U8 _% O' L　　
6 u3 D- A4 N9 t- h　　某戶外通信機(jī)柜（圖１）的骨架由圖２所示截面的桿件焊接而成，沿著桿件分布著圖３所示的安裝定位孔。機(jī)柜內(nèi)部安裝通信單元，要求能夠在地震多發(fā)的環(huán)境中使用，在震災(zāi)發(fā)生時(shí)以及災(zāi)后要求設(shè)備正常工作。?
6 X9 O& E' @% o1 u7 f) i  
' w( f' ?/ U2 {　　根據(jù)ＩＥＣ防災(zāi)規(guī)范，地震的振動(dòng)頻率主要集中在0.1~35Hz，為避開共振產(chǎn)生的破壞，系統(tǒng)的固有振動(dòng)頻率應(yīng)當(dāng)盡可能高，特別是避開地震能量集中的低頻范圍0.1~6Hz。下面介紹如何使用ANSYS來進(jìn)行固有頻率及振型的求解，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化。?
, S5 N' O% B3 U; O/ p/ l　　2.1 問題分析?
　　此框架結(jié)構(gòu)雖然是由桿焊接而成，由于沿著桿壁分布著安裝孔，不能簡化為梁單元。桿件是由薄鋼板沖壓后滾壓成型，根據(jù)其截面性質(zhì)（圖２），可使用殼單元。ANSYS的建模功能相對比較弱，本例首先在Pro/E中完成建模，然后讀入ANASYS中。?
# z1 y3 ~" h" x- {# F　　2.2 前處理?
　　在Pro/E中長度單位為mm；為使單位統(tǒng)一，在ANSYS中用/UNITS命令設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)。長度單位為mm，質(zhì)量單位為g。在前處理器中設(shè)置單元類型為63號(hào)殼單元，設(shè)置相應(yīng)的實(shí)常數(shù)并設(shè)置材料屬性，泊松比＝0.3，密度為 。用Modeling>Create>Glue命令把各梁結(jié)合在一起。接下來是網(wǎng)格劃分，在Modeling>Mesh Attributes中設(shè)置單元號(hào)，材料號(hào)，單元實(shí)常數(shù)號(hào)；然后使用Mesh Tool進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模態(tài)分析對于網(wǎng)格劃分的質(zhì)量要求并不高，可以采用先粗后細(xì)的方法來驗(yàn)證。即先用較少的網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行分析，再用兩倍網(wǎng)格數(shù)分析。若兩次比較結(jié)果差異在可接受范圍內(nèi)即可認(rèn)為網(wǎng)格劃分足夠精確。?
　　2.3 加載及求解?
　　對底部的四個(gè)頂點(diǎn)施加約束，選擇ALL DOF，位移值設(shè)置為0。Solution>Analysis Type>New Analysis中設(shè)置模態(tài)分析；在Analysis Options中設(shè)置模態(tài)提取方法為Reduced法，并設(shè)定X為主自由度方向。運(yùn)行Select Solve>Current LS，保存。接著依次設(shè)定Y、Z為主自由度，運(yùn)行求解并保存。?
% `- A+ S3 z3 Q% b　　2.4 后處理?
3 F) V) l+ T2 e: N; s- O& Q　　通過General Postproc>Read Results命令依次讀入各自方向的第一階數(shù)據(jù)。通過Plot Results>Deformed Shape>Def+undeformed命令繪制變形圖4~圖6。
    ?
% S3 J; S+ ]  Q3 H& u/ D0 t　　?X、Ｚ、Ｙ?方向一階固有頻率分別是8.432，5.798，17.654；低于或是很接近地震能量集中的低頻范圍0.1~6Hz。由振型圖可知X、Z方向振動(dòng)模態(tài)主要是圍繞焊接角點(diǎn)的擺動(dòng)，而梁沒有發(fā)生大的彎曲；Y方向則是在角點(diǎn)處發(fā)生大變形。觀察圖７所示的角點(diǎn)，它是沿著桿件的接縫直接焊而成，根據(jù)分析結(jié)果可知，角點(diǎn)局部結(jié)構(gòu)剛度太低。改進(jìn)方案應(yīng)當(dāng)是加強(qiáng)焊接角點(diǎn)的結(jié)構(gòu)剛度。?
8 m3 W3 s9 F; E' o8 O* m　　2.5 優(yōu)化局部剛度?
) t! w" c5 m6 t2 j" D5 G" Z　　采用圖８所示的角件如圖９所示，在每個(gè)角點(diǎn)插入角件，然后沿著接縫焊接牢固可起到此作用。?
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　　在ANSYS中導(dǎo)入角件，修改模型，按照2.2~2.4步驟重新分析。得到的?Ｘ、Ｚ、Ｙ?方向一階固有頻率分別是：12.759，8.946，32.236。改進(jìn)后的模型各方向上的一階固有頻率明顯提高。?
　　3 試驗(yàn)分析?
9 c. d3 S# I* ]　　
　　按照改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)制作出框架原形，然后進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)測試。用白噪聲進(jìn)行固有頻率掃描，獲得的各方向一階固有頻率結(jié)果如圖10~12所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元解接近。
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( b, v' H; j' E7 ]　　4 結(jié)語?
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  V+ H; B' L- ?　　通過有限元與模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，可以看出ANSYS能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)提供很大的幫助。并且它不像理論法，不需要煩瑣的計(jì)算；不像模態(tài)實(shí)驗(yàn)，不需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)原型。從經(jīng)濟(jì)性、費(fèi)用、可信度等方面來講ANSYS不失為一種好的模態(tài)分析方法。?
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　　參考文獻(xiàn)?
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4 t+ Z$ t' M& D　　〔3〕?李德葆.實(shí)驗(yàn)模態(tài)分析及其應(yīng)用〔M〕.北京：科學(xué)出版社，2001.?
, s+ ~0 y6 j2 y, T7 o　　〔4〕?豐定國.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)〔M〕.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

深圳清風(fēng)1

能不能弄點(diǎn)實(shí)例上來啊