预应力混凝土方桩的离心机管模的振动模态分析

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摘要： 本文主要应用CATIA软件对预应力混凝土离心方桩管模进行三维建模，将建立的数字模型导入到ANSYS软件中进行振动模态分析，得到了管模的各阶固有振动频率及相应的振动模态。最后，对离心机的结构设计提供了宝贵建议。

Abstract： 3D modeling of pipe-die for pre-stressed concrete centrifugal square pile is conducted basically using CATIA software in this paper. The developed digital model is imported to ANSYS software for vibration modal analysis， thus gaining natural vibration frequency of each order of pipe-die and the corresponding vibration mode. Finally， valuable suggestions on the structure design of centrifuge have been proposed.

关键词： 离心方桩；离心机管模；模态分析

Key words： centrifugal square pile；centrifuge pipe-die；modal analysis

中图分类号：TU473.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）21-0036-02

0 引言

随着科学技术的发展，有限元分析技术在各个领域的应用也越为广泛，尤其应用于振动分析中。在机械强度、应力计算、模态计算中广泛应用[1]，也走向成熟阶段。最早，有限元分析技术主要应用于大型建筑工程[2]，国家重大机械工程项目[3]，航空工业[4]和汽车工业[5]等。至今，有限元技术已向各行各业渗透。然而，仍然有一些边缘落后产业，在产品设计中采用经验估计进行设计。如混凝土离心方桩离心机的设计等。

随着房地产市场的兴起，预制桩等建筑行业快速发展，预应力混凝土空心方桩也快速增长之时，生产方桩的设备却极为落后。工人工作环境及工作条件极为恶劣，最为严重的是离心工艺。本文主要对离心机管模进行建模，并采用有限元分析技术对其进行了强度及模态计算，得到各阶固有频率及阵型。对离心机的设计，离心工艺的调整提供理论数据。从而降低离心机的振动与辐射噪声。

1 预应力混凝土空心方桩工艺简介

在2012年，预应力离心方桩新工艺生产线上线以来，就取代了旧的人工布料生产工艺。新工艺生产线在机械化，自动化程度上，得到大大提升。方桩生产的大体工艺流程：合模张拉泵送布料离心蒸养开模高压养护成品。其中离心工艺就是在离心机上完成，而整个生产车间的振动与噪声主要来源也是离心工艺。离心机管模的现场图1所示。

2 离心机管模的三维建模

离心工艺的动力来源于离心机。离心机由主动轴与从动轴组成，主动轴与电动机相连，主轴总长达16米，如图2所示。空心方桩的成型也就通过离心成型。由于混凝土在管模里离心成型。因此，在离心过程中产生巨大的离心力，使得管模与离心机跑轮之间产生巨大振动与撞击。为了研究离心机的振动与噪声辐射，首先对离心机管模进行计算机建模。管模由上模和下模组成，并通过合模螺栓连接，两端有头尾板。本文用CATIA软件对400管模进行了建模，三维模型如图3所示。

3 对离心机管模进行有限元分析计算

根据离心工艺过程的实际工况，对离心机管模结构进行简化，将上、下模建为同一实体，并将合模螺栓略去。在Hypermesh中进行网格划分，采用六面体网格如图4所示。

把.cdb文件导入到ansys中，在材料属性中定义弹性模量为2.11e5pa，泊松比为0.25，密度为7.8e3kg/M3，然后计算出前二十五阶模态，其中前六阶为刚体模态，计算结果见表1。

图5和图6为管模的第7、8阶振型云图。

4 结论

通过对离心机管模的分析计算，得到了管模的各阶固有频率及振型。从计算结果可以知道，管模的前六阶振型为刚体模态，首阶振型，即第七阶振型的固有频率为115.87Hz，离心工艺的最低转速为211转/分钟，最高转速为500转/分钟，对应的频率分别为3.5Hz和8.3Hz。因此，离心工艺的激励与管模的固有频率已避开，但对于离心机的结构设计，还需注意。也就是说离心机结构的低阶固有频率应与管模的固有频率避开。

由于结构固有频率已避开激励频率，要大量减低离心机的振动与噪声，还需要从系统的阻尼入手，才会有更明显的效果。

参考文献：

[1]蒋红旗，王繁生.起重机吊臂结构有限元模态分析[J].农业机械学报，Vol.37（3）.2006.pp：20-22.

[2]黄盛楠，陆新征，郑建春，朱伟.超载导致钢筋混凝土拱桥倒塌的破坏模拟[J].工程力学，Vol.29.2012.pp：122-127.

[3]Chen houyou， Chen junlan， Riveted joint craft of aluminum alloy car body for metro vehicle. Locomotives & Mass Transit Vehicles. Vol.30.2007.pp：44-46.

[4]裴扬，宋笔锋，韩庆.基于有限元模型的飞机几何描述算法研究[J].西北工业大学学报，Vol.22（5）.2004.PP：567-571.

[5]胡玉梅，邓兆祥，王欣，宾洋.汽车后悬架的非线性有限元分析[J].重庆大学学报，Vol.26（4）.2003.PP：38-41.