摘 要：为了解决焊接工艺撑杆运输过程费时费力的问题，设计了一种液压驱动，连杆机构连接的工艺撑杆运输装置，在Solidworks中建立了三维模型，通过Ansys Workbench对其进行模态仿真得到了运输装置的前六阶模态频率及振型，外加激励避开其固有频率可有效避免共振，分析其模态振型，通过固定底座和储物导槽增加筋板等措施来改善运输装置的结构特性，为运输装置结构设计及优化提供了参考。
关键词：工艺撑杆，运输装置，结构设计，模态分析
1 引言
现代化高速动车组的生产制造中铝合金应用广泛，但其导热系数较大，焊接过程中会产生较大的热输入，焊接过程中会产生较大的变形。而焊接变形的控制是高速动车组生产制造过程中的重要环节，工艺撑杆在控制侧墙、端墙的宽度和垂直度等方面起到了重要作用，在车体总组装和车体检修时能有效控制焊接变形，保证焊接质量，因而被大量使用。碳钢材质的工艺撑杆一般由两人操作从车下传递到被支撑得较高的车上，不仅费时费力，还存在较大的安全隐患，操作不当可能会对车体产生磕碰。
为了避免工艺撑杆运输不便，设计一种适用于工艺撑杆的运输装置可以满足工艺生产需要。同时，对运输装置进行模态分析可以得到结构的各阶固有频率与振型，外加电机的激励频率避开其固有频率可保证整体结构不会共振，通过分析各阶振型可以得到整体结构的易变性部位及其振幅，通过对易变性部位的优化可以改善整体结构。
2 运输装置结构
在车下将工艺撑杆放置到运输装置上，通过液压油缸进行抬升，抬升到一定高度时卸下工艺撑杆。运输装置由底座、两个液压缸、连杆机构、储物导槽等几个部分组成，整体结构如图1所示，其中，底座的作用是将运输装置固定在移动平台，通过螺栓连接方式固定，通过移动平台进行移动运输；液压缸采用双组并联方式，伸出长度决定升降平台的工作高度；连杆机构各个旋转副关节串联在一起；储物导槽用来放置工艺撑杆。
.png)
图1 运输装置结构图
3 模态分析
为了探究运输装置自身的模态属性，在运输装置模型中去掉两个液压油缸，将模型导入到Ansys Workbench软件中，利用其自带的模块化操作对运输装置进行模态分析。分析方法采用系统默认的Block Lanczos 算法，即模态叠加法，此种算法与子空间计算法精度类似，但是速度更快，对于线性无阻尼的计算较为适合。运输装置采用铝合金材质，不仅保证了结构强度，还能减轻自身重量，在软件中设置材料密度2770kg/m3，弹性模量7.1×1010 Pa，泊松比0.33。网格划分采用自由划分网格，在结构尺寸较小的孔和轴位置适当减小网格尺寸，考虑到计算时间可以适当增大底架、储物导槽位置的网格尺寸[3-4]。
理论上运输装置有无穷阶模态，但实际上各阶模态对结构的影响不同，一般情况低阶模态振动的频率低、振幅大，对结构稳定性影响较大，且低频振动更易产生，而阶次越高，频率越高，对结构的影响更小，越不易发生。在求解自由模态时，刚体存在三个方向的平动和三个方向的转动，因此前六阶频率为0是系统的刚体模态。而考虑到低阶模态影响最大，因此计算前阶20自由模态，再从中提取前六阶模态频率和振型，计算得到的运输装置前六阶模态频率5.25Hz，9.54Hz，13.57Hz，94.37Hz，148.76Hz，153.34Hz。前三阶振型如图2所示。
（a）一阶
.png)
（b）二阶
（c）三阶
图2 运输装置前三阶模态振型
运输装置模态计算振型中，前三阶为弯曲振动，后三阶为扭转振动。前三阶弯曲振动中，运输装置分别表现为以X、Y、Z轴为中心的弯曲振动，从运输装置中心到外侧，均表现为振幅逐渐增大，最大振幅均在15mm左右，且振幅最大位置均为底座与储物导槽，后期通过固定底座以及在储物导槽上增加筋板来改善其结构特性。后三阶扭转振动同样以X、Y、Z轴为中心，底座两侧振幅最大，第四阶最大振幅15mm左右，第五、第六阶最大振幅在24mm左右，也就是说扭转振动对运输装置产生的影响更大，但是由于阶数更高，产生扭转振动的可能性比弯曲振动要小。
4 结论
对设计的由液压驱动，连杆机构传递的工艺撑杆运输装置，进行了模态分析，得到前六阶模态频率和振型，外加激励避开运输装置固有频率可以有效避免共振。振型前三阶为弯曲振动，后三阶为扭转振动，前四阶振幅最大15mm左右，后两阶振幅最大24mm左右，振幅最大位置为底座和储物导槽，通过固定底座及在储物导槽中增加筋板可以改善运输装置的结构特性。
参考文献
[1]李永华,赵传福,宋雪萍,侯可为.基于模态优化的动车组蓄电池箱结构可靠性分析[J].机械设计与制造工程,2018,47(07):6-10.
[2]王鹏,陈恩利,惠美玲,蔡大军.高速动车组车体模态特性分析[J].振动.测试与诊断,2019,39(06):1305-1310+1366.
[3]张鸿,周瑜哲.基于SolidWorks的移动式动车组清洗机机架的模态分析[J].内燃机与配件,2020(04):49-51.
[4]魏武国,冯浩阳.基于ANSYS的某航空活塞发动机凸轮轴模态分析[J].机械工程师,2020(03):18-19+22.