王攀然， 李 俭， 邓女原媛， 刘小谭， 熊美玲， 饶 雄

(1.成都大学 机械工程学院， 四川 成都 610106； 2.四川省农业机械研究设计院， 四川 成都 610066)



基于ANSYS Workbench的三角履带支撑架模态分析

王攀然1， 李 俭1， 邓女原媛1， 刘小谭2， 熊美玲1， 饶 雄1

(1.成都大学 机械工程学院， 四川 成都 610106； 2.四川省农业机械研究设计院， 四川 成都 610066)

三角履带支撑架作为三角履带动力底盘最为重要的支撑装置之一，其性能好坏在一定程度上影响着三角履带底盘的使用寿命.针对三角履带支撑架在三角履带上使用时容易产生的共振及疲劳等问题，应用SolidWorks建立三角履带支撑架有限元模型，借助ANSYS Workbench 有限元软件对三角履带支撑架进行模态分析，得到各阶频率、对应的振型及应变云图，为避免发生共振及后续结构改进等研究提供有效的理论基础.

三角履带支撑架；模态分析；有限元；ANSYS Workbench

0 引 言

传统轮系底盘车辆具有行驶速度快、机动性好及维修方便等特点，能够满足在一般路面上的作业需求，但在沙土、泥泞与冰雪等特殊路面行进与作业时，其车胎容易发生打滑、下陷甚至导致车辆重心不稳等情况[1]，从而影响车辆的正常工作.三角履带动力底盘作为一种新型的动力机构，吸收了轮系底盘的优点，增大了与地面的接触面积，减小了接地比压，可以在泥泞沙土道路上低速作业，在工业与农业机械上被广泛使用[2-3].由于三角履带底盘在土壤上作业，支撑力、阻力与速度损失等变化很大[4]，而支撑架作为三角履带动力底盘最为重要的支撑装置，是三角履带底盘的重要结构部件，其作用是将各相关部件连接成一个整体，并承受来自三角履带系统内外的各种载荷[5]，它的性能好坏在一定程度上影响着三角履带底盘的使用寿命.为此，本研究拟采用ANSYS分析软件与有限元分析方法[6]，对三角履带支撑架进行有限元模态分析，确定其各阶频率及振型，为三角履带支撑架结构优化提供相关数据.

1 基于ANSYS Workbench的有限元模态分析

1.1 有限元模型建立

在对某三角履带支撑架进行有限元模态分析前，本研究首先建立三角履带支撑架的有限元模型，把实际的支撑架抽象化为力学模型，既适用于计算分析，又可节约实验成本.建模时可以直接使用ANSYS Workbench里面的Design modeler，也可以使用其他三维软件，如UG、Catia、Pro/e或者SolidWorks等.在建模后，导入ANSYS Workbench中.采用SolidWorks建立的某型三角履带装配图如图1所示.

图1 某型三角履带装配图

本设计充分考虑了履带各执行部件之间的结构参数，确立并绘出如图2所示的三角履带支撑架，其参数如下：支撑架长为750 mm，高为515 mm，宽为295 mm；支撑板外圆径为330 mm，支撑板内圆径为179 mm；螺栓孔直径为11 mm；大加强筋长为160 mm，高为170 mm；小加强筋长为160 mm，高为80 mm；支撑架壳厚均为15 mm.

1.2 材料属性与网格划分

前处理是ANSYS Workbench必不可少的部分.首先，需在Workbench的Engineering Data中定义三角履带支撑架的材料属性.根据实际应用的不同，材料属性可以取值为线性或非线性，以及不随温度场变化或随温度场变化.本研究三角履带支撑架采用的是普通碳素结构钢，相关参数为：弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3，受拉屈服强度为250 MPa，抗压屈服强度为250 MPa，拉伸极限强度为460 MPa.其次，定义各接触面采用绑定(Bonded)接触，即不允许面或线间有相对滑动或分离，将此区域理解成被连接在一起.最后，是对三角履带支撑架进行网格划分，采用ANSYS Workbench中的自动网格划分，划分后的三角履带支撑架具有19 172个节点，9 741个单元，具体如图3所示.

图2 三角履带支撑架

图3 三角履带支撑架网格图

1.3 模态分析理论

模态分析是动力学分析的基础，其主要目的是用来确定机构的振动频率、振型和应变，用于解决机构的振动及噪声问题.根据达朗贝尔原理，建立动力学运动方程.对于一个多自由度系统，其振动方程如下，

(1)

在线性系统的模态分析中，理论上假设无阻尼(C=0)且不添加外界载荷{F(t)=0}，式(1)可简化为，

(2)

由于线弹性系统自由振动可分解成一系列简谐振动的叠加，那么位移x=Xsin(ωt),则，

(3)

式中，{Φi}为各节点位移的振动幅度向量，即结构的固有振幅；wi为与固有振幅对应的结构固有频率.

1.4 边界条件

按照实际工作情况对三角履带支撑架施加边界条件，才能保证计算的可靠性与准确性.根据某型三角履带的实际工作情况:首先，发动机通过链传动将动力传递到驱动轮上，为三角履带提供动力，同时三角履带承受机体重力作用，据相关资料测算，单个三角履带动力为8 000 N，承受重力为800 N；其次，三角履带支撑架与各零件螺栓固定连接.

2 求解与分析

完成所有前处理后，利用分析软件进行求解计算，得到三角履带支撑架前6阶频率与振型.各阶频率如表1所示，其前6阶模态振型图如图4所示.

表1 前6阶模态分析频率参数

图4 前6阶振型图

由分析结果可知，三角履带支撑架1、2阶模态振型，最大变形量发生在支撑架左右两侧，分别向内侧弯曲，中心位置不变，对应的最大变形量为28.593mm与28.58mm，对应的三角履带频率为1 671.5Hz与1 678.1Hz；3阶模态振型位移发生在支撑架底部，向Y方向凸起，最大变形量为25.238mm，频率为2 493.1Hz；4阶模态振型最大变形发生在支撑架中心，向X方向凸起，同时两侧翼向内侧弯曲，最大变形量为13.584mm，频率为2 567.1Hz； 5阶模态振型最大变形发生在同侧侧翼与加强筋边缘，向Z方向弯曲，变形量为16.258mm，频率为2 614.1Hz； 6阶模态振型以支撑架中心向X方向凸起为主，最大变形量为20.657mm，频率为2 768.3Hz.模态分析结果表明，三角履带支撑架频率随着阶次增加而增加，各阶频率相差较大，不会发生振动叠加情况.同时，三角履带支撑架在2 567.1Hz时动态特性较差，各区域变形较为明显，应避免三角履带支撑架在此频率附近工作时发生共振现象.

3 结 语

本研究以某型三角履带支撑架为研究对象，利用SolidWorks软件建立有限元三维模型，导入ANSYSWorkbench中对模型进行模态分析，得到前6阶频率及应变云图，较直观反映了三角履带工作时支撑架的动态特性，减少了实验成本，缩短了实验周期，同时为后续的结构优化及振动等问题提供了实验依据.

[1]杨斗明.军用某50型装载机可更换三角履带轮的设计与仿真分析[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2016.

[2]刘泽旭,王立海,孙天用,等.轮式与三角履带式集材机的爬坡性能比较[J].林业科技开发,2014，28(6):79-83.

[3]吕凯,穆希辉,杜峰坡,等.重载三角橡胶履带轮设计关键问题综述[J].装甲兵工程学院学报,2016，30(1):29-38.

[4]蔡岗础.油茶果采摘机三角橡胶履带轮底盘的设计与力学分析[D].长沙：中南林业科技大学,2014.

[5]牟伟杰,杨俊智,陈建业,等.基于ANSYSWorkbench电源车骨架模态分析[J].科学技术与工程,2010，10(22):5592-5594.

[6]朱瑜,郑俊,罗洋,等.基于ANSYSWorkbench的起垄刀轴模态分析[J].机械工程师,2016，48(2):100-102.

Modal Analysis of Triangular Crawler Support Frame on ANSYS Workbench

WANGPanran1，LIJian1，DENGYuanyuan1，LIUXiaotan2，XIONGMeiling1，RAOXiong1

(1.School of Mechanical Engineering ,Chengdu University, Chengdu 610106, China；2.Sichuan Research and Design Institute of Agricultural Machinery, Chengdu 610066, China)

Triangular crawler support frame is one of the most important supporting devices of triangular crawler dynamic chassis, so its performance affects the service life of the triangular crawler chassis to a certain extent.The triangular crawler support frame easily causes resonance and fatigue problems during its use in the triangular crawler.Therefore,the paper uses SolidWorks to set up the triangular crawler support frame finite element model and uses ANSYS finite element software workbench to do a modal analysis on the triangular crawler support frame to get the frequencies at different stages,corresponding vibration modes and corresponding strain nephogram so as to provide a theoretical basis to avoid resonance and for subsequent structural improvement.

triangular crawler support frame;modal analysis;finite element;ANSYS Workbench

1004-5422(2017)02-0192-03

2017-04-27.

王攀然(1991 — )， 男， 硕士研究生， 从事机电一体化研究.

李 俭(1960 — )， 男， 硕士， 教授， 从事机械机构现代设计研究.

U469.6+94；TH213.7

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