矩形储液箱箱体模态分析

矩形储液箱箱体模态分析

广泛用于燃料储存、水塔、探测器等设备的燃料储存。矩形储液箱属于大型薄壁结构,其安全使用涉及静水压模态分析的问题。早期制造的储液箱由于选用的安全系数高,模态分析的重要性表现不明显。近年来,机械产品减重节能和轻量化的发展需求,使得矩形储液箱结构的强度分析和模态分析备受关注。矩形储液箱属于无限多自由度的振动系统,当外界激振频率与系统固有频率接近时,将产生共振。共振不仅带来噪声和部件的早期疲劳损坏,而且可能导致储液箱结构的破坏。储液箱作为一个连续的弹性结构系统,具有无限多的固有模态,其低阶模态多为整体振型。系统的低阶弹性模态,不仅反映储液箱结构的振动特性,而且是影响储液箱结构动态强度的关键指标。基于生产实际问题,针对应用环境、结构尺寸和条件,进行前期设计的计算机仿真实验研究,可以为装置的制造和使用奠定基础。在ANSYS中对特定矩形储液箱建模并进行模态分析,在结构框架尺寸不变的情况下,分析分舱对结构振动频率的影响。1总体刚度矩阵的形成规则对于一般的多自由度弹性结构动力学问题,根据达朗贝尔原理,可以推得动力平衡方程:式中:[M]为整体质量矩阵,由各个单元的质量矩阵组装而成,方法类似于总体刚度矩阵[K]的形成规则;[C]为阻尼矩阵,根据需要可以采用不同的形成方式;{δ}为系统位移矩阵;{p}为系统所受的激励载荷。根据式(1)可以得到无阻尼情况下结构的固有频率方程:式中:ω为系统的固有频率。解该方程可以求得结构的n对特征值和特征向量,对应于结构的频率和振型。求得系统的频率和振型之后,可以使用振型迭加法求得系统响应。解广义特征值的方法主要有广义雅可比法、逆迭代法及子空间法。对于计算响应时间较长的情况,适于使用逐步积分法。2储液箱抗静压力的计算根据实际装备的相关参数确定矩形储液箱的有限元模型(图1)及其内部的梁单元模型(图2)。储液箱壁和支座选用shell63单元,立柱和加强筋选用beam188单元,材料选用316L,参数属性:弹性模量1.98×1011Pa,密度7850kg/m3,泊松比0.3。边界条件:由于矩形储液箱安装固定于底座上,因此认为支座底部节点的自由度全约束;又因储液箱内部装入介质水,故自箱体底面y=0到y=1000mm的位置对储液箱内部壳体施加水的静压力,计算公式为:p=1000×9.8×(1-{y});最后,对储液箱及其内部储水施加y方向的重力g。3基因大变形原理设计利用ANSYS分别对空箱和静水压下的满箱进行有限元分析:静水压下满载的支反力为8285.4N,空载的支反力为1222.9N;整个箱体的最大应力强度约159MPa,出现在箱体侧板底部与底板长支撑的连接处(图3),焊接加工时应特别注意其焊接质量和强度要求;箱体在x方向的最大位移为3.3mm,在y方向的最大位移为2mm,在z方向的最大位移为3.1mm,出现在后围板下部。根据箱体的尺寸,最大位移量小于3.5mm,可以被实际工程所接受。4模型绩效计算与结果分析取空载和满载状态下的六阶以下模态对矩形储液箱箱体进行分析。4.1空载模态4.1.1动态特性分析对空载状态下六阶以下振型的固有频率进行计算(表1),结果表明:小于35Hz的频率有6个,由于平均5Hz有一阶模态,故模态分布比较密集,相邻模态之间差别较小,因此,在空载情况下,低频区域容易发生共振,进而引起较大的动态响应,影响装备的安全性。一、二阶振型是箱体顶部沿z轴方向发生一阶或二阶弯曲;三、四阶振型是箱体顶部和侧壁沿x、z轴方向或y、z轴方向发生二阶弯曲;五、六阶振型是箱体顶部或侧壁沿y方向发生一阶弯曲(图4)。4.1.2金融商品侧壁和顶部应力分析在空载状态下,一、二阶振型箱体顶部中间和四周的应力变形较大,是箱体的薄弱部位;三、四阶振型箱体的侧壁和顶部都发生较大变形,应力最大出现在侧壁偏上位置;五阶振型箱体的最大应力出现在侧壁上方以及顶部和侧壁的连接处;六阶振型箱体的最大应力在顶部呈对称分布(图5)。以上模拟分析明确了各阶振型的最大变形位置,为了使储液箱具有更合理的结构与强度,设计时应提高这些位置的刚度。4.2包含模型的模式4.2.1储液箱箱内各阶振型均发生了1.对满载状态下六阶以下振型的固有频率进行计算(表2),结果表明:低阶频率比空箱明显降低,前六阶频率均小于13Hz,其中二、三阶频率的差值小于0.5Hz,其余阶次频率间隔亦在1Hz左右。这是因为矩形储液箱箱体内的液体对系统的平衡方程有很大的阻尼作用,相对于空箱而言,系统的固有频率明显降低。由于箱内充满液体,一阶振型是箱体底部沿z轴方向发生一阶弯曲;二、三阶振型是单侧侧壁沿x、y方向均发生形变;四阶振型是箱体底部沿z轴方向发生弯曲;五、六阶振型是箱体两侧侧壁同时沿y方向发生弯曲变形(图6)。4.2.2支撑梁与外部壳体连接部位在满载状态下,各阶模态的最大应力分布点均出现在内部支撑梁与外部壳体连接的部位(图7)。因此,侧壁与侧壁、侧壁与底部连接点的焊接质量,对储液箱的整体可靠性影响较大。5储液箱技术参数分析为了满足矩形储液箱装备的安全性、可靠性及轻量化需求,对不同材料储液箱的技术参数进行对比分析(表3),结果表明:不同材料对一阶频率的影响不同,在满足强度要求的前提下,铝材具有明显的轻量化优势;在满足位移要求的前提下,Q235材料性能最好。6结构的模态分析采用有限元方法对特定矩形储液箱结构在空载和满载两种状态下的应力强度和振动模态进行了分析。结果表明:特定储液箱的应力强度能够满足实际运行工况的需要,整个箱体的最大应力强度约为159MPa,出现在箱体侧板底部与底板长支撑的连接处;在满载状态下,各阶的最大应力分布点均出现在内部支撑梁与外部壳体连接的位置。各阶模态频率均非整体结构的共振频率,