基于ANSYS的电机支架结构的模态分析

0引言

振动是一种常见的物理现象，由于振动或冲击而产生的共振、疲劳破坏等危害到航空航天、仪器仪表、机械性能、交通运输以及军事防御等各个领域。模态分析用于振动测量和结构动力学分析，可测得比较准确的固有频率、模态振型等参数，它们对机械结构的安全性有重要意义，也有助于设计工程师们可以避开这些频率或最大限度的减小对这些频率上的激励，从而消除过度振动

和噪声[1]

。

电机支架连接构件的整体性能好坏对电机的性能和寿命有很大的影响。电机支架是支撑结构中的主要承载构件，电机支架针对不同的场合使用有不同的类型，本文利用有限元对其中一种工字连接构件进行模态分析，得到其固有频率和振型，可避免工字连接件在工作过程中与其他部件发生共振，造成事故。

1模态分析原理

模态直接反映机械结构的固有振动特性，每个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。一般地，对于多自由度阻尼系统的运动微分方程为

：

（1）

式中：[M]—系统的质量矩阵；[C]—系统的阻尼矩阵；[K]—系统的刚度矩阵；{X}—系统的位移向量；{F （t ）}—系

统的激阵力向量。

在没有外力作用时，可以得到系统的自有振动方程，但通常情况下，又由于阻尼对模态分析影响不大，从而得到无阻尼的自由运动方程

：（2）其对应的特征值方程为：

（3）

因为系统{X}≠{0}，即

：

（4）

解出ωn 即为多自由度系统各阶固有频率，将ωn 解出后代入到方程（3）中求得{X}，即为各阶固有频率的振型。

2工字连接件结构分析

工字连接件其截面为工字型的钢材，选用尺寸为250mm ×118mm ×10mm 方钢，结构图如图1所示，材料参数如表1所示。

图1工字连接

件结构图

表1材料参数

参数名称

参数值

杨氏模量泊松比密度200000/（GP ）

0.37890/（kg （m 3）-1

）

2.1建模及网格划分利用CATIA 软件建立工字连接件的三维模型，再通过其与ANSYS Workbench 之间的软件接口将支架模型导

入ANSYS Workbench ，

导入后的模型如图2所示。依据模型的几何结构，进行网格划分是有限元模态分析中非常重要的一步，同时，网格的质量也对计算结果的准

确性有重要影响。在ANSYS Workbench 中，对于三维几何体，

提供了多种网格划分方法，包括Automatic 、Multizone 、Tetrahedron 、Hex Dominant 、Swept meshing 、Cutcell 。由于该基于ANSYS 的电机支架结构的模态分析

Modal Analysis of Motor Bracket Structure Based on ANSYS

杨舒婷YANG Shu-ting

（重庆交通大学机电与车辆工程学院，重庆400074）

（College of Electrical and Mechanical and Vehical Engineering ，Chongqing Jiaotong University ，Chongqing 400074，China ）

摘要:利用CATIA 软件对电机支架的连接构件即工字连接件进行参数化实体建模，将模型通过软件接口导入ANSYS

Workbench ，对连接件进行有限元分析，得到工字连接件各阶固有频率和振型。分析结果表明，连接件低阶模态频率和振动幅度都较小，满足设计要求，为工字连接件的设计和改进提供了方法和依据。

Abstract:The parametric solid model of the connecting component of the motor bracket,I -type connector,is modeled by CATIA software.The model is imported into the ANSYS Workbench through the software interface,and the finite element analysis of the connection is carried out by using the Model module,and the natural frequencies and vibration modes of each order are obtained.The analysis results show that the low order modal frequency and vibration amplitude of the connectors are small,which meets the design requirements and provides a method and basis for the design and improvement of the I-type connectors.

关键词:工字连接件；有限元分析；固有频率；振型Key words:I-type connector ；finite element analysis ；natural frequency ；vibration modes

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—作者简介:杨舒婷（通讯作者）（1993-），女，硕士生，主要研究方向为机电一体化。

Internal Combustion Engine&Parts

结构体形状较规则，为了保证计算精度，选择自动划分法划分网格。如图

3所示。

图3三维模型的网格划分

2.2添加约束条件

施加的边界条件与工程实际的有效结果是否一致，对分析结果的正确性和有效性有重要影响[3]。在进行边界条件处理时，一种是不添加任何约束，另一种是根据约束的实际工作状况添加相应约束。考虑到工字连接件在实际工作中通过8个孔圆柱固定面与电机和其他设备相连，因此，添加约束时，将固定端限制为ALL DOF（即约束所有位移），选择位移置为0。如图4

所示。

图4添加约束

2.3边界加载求解

在ANSYS中有以下几种模态提取的方法：Block lanczos、Subspace、Power Dynamics、Reduced、Unsymmetrical、Damped、QR Damped。选择何种模态提取方法取决于模型大小和提取阶数等具体应用场合，由于Block lanczos法可以在大多数场合使用，可以很好的处理刚体振型，这里在完成边界条件施加后，指定模态提取方法为Block lanczos，设定模态提取阶数为10，即分析工字连接件前10阶固有频率，计算结果如表2所示。工字连接件前10阶模态振型如图5所示。

阶数计算值（Hz）

1阶

2阶

3阶

4阶

5阶

6阶

7阶

8阶

9阶

10阶

9175.9

13493

14136

16624

22823

29068

29443

34124

38146

38386

表2固有频率计算结果

3结果分析

由表2可以看出，随着阶次的增加，工字连接件各阶的固有频率呈递增趋势。从图5可以看出，连接件的第1阶模态振型主要为中部发生变形弯曲中部应力较大，最大位移为0.11016m；第2阶模态振型主要为中部向外膨胀变形，最大位移为0.17509m；第3阶模态振型主要为中部应力较大，最大位移为0.091198m；第4阶模态振型主要为两头底座发生拱形变形，最大位移为0.070389m；第5阶模态振型主要为两头底座和中部发生扭曲变形，上下沿波浪形摆动，最大位移为0.10621m；第6阶模态振型主要为中部发生扭曲变形，最大位移为0.16337m；第7阶模态振型主要为两头底座发生凹陷变形，最大位移为0.084062m；第8阶模态振型主要为中部发生拱形变形，最大位移为0.20349m；第9阶模态振型主要为上底座发生拱形变形，下底座发生凹陷变形，最大位移为0.20079m；第10阶模态振型主要为中部发生扭曲变形，最大位移为0.28309m。

4结论

①运用有限元分析得到了工字连接件前10阶的固有频率和振型，找出了连接件的薄弱环节。根据模态分析分析结果，可知工字连接件的固有频率为9175.9Hz，在该频率下工字连接件发生共振产生的破坏性最大。

②随着频率的增加在图5~（6）-（10）中的二阶频率、三阶频率等也会发生共振，只是共振产生的破坏性逐步减弱，可以避免工字连接件在这些频率下工作，防止发生共振，使得连接件发生变形破坏导致工作不可靠或者失效。

③连接件的动态特性分析补充了静态特性分析的不足，提高了设计的合理性和可靠性。

参考文献:

[1]王宇，刘凯，林永龙.ANSYS软件在结构模态分析中的应用[J].机电工程技术，2013，42（09）：38-40.

[2]刘选伟，金亮，王景立.基于ANSYS Workbench的深松机机架模态分析[J].农机化研究，2015，37（05）：29-31，35. [3]张敏，张翠平.基于Workbench的发动机连杆模态分析[J].装备制造技术，2015（10）：231-233.

[4]王永胜，张京伟，吴崇健，吴声敏.基于Ansys的管路支架的模态分析[J].船海工程，2013，42

（01）：32-35，40.

[5]胡效东，闵迎亚，刘学亮，刘宪福.滚筒洗衣机箱体振动特图2导入Workbench的三维模型