基于ANSYS的木塑复合板振动特性分析1)

倪松远 王立海 徐华东

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

基于ANSYS的木塑复合板振动特性分析1)

倪松远 王立海 徐华东

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

为分析木塑复合板的振动特性，采用ANSYS软件分别构建了完好和含有不同大小孔洞缺陷木塑复合板的有限元模型，运用模态分析方法获取了其前8阶固有频率和位移模态，计算了其曲率模态，分析了孔洞对木塑复合板固有频率、位移和曲率模态等振动特性的影响。结果表明:利用ANSYS能够有效分析木塑复合板的固有频率、模态振型等;孔洞缺陷对木塑复合板的固有频率和曲率模态有显著影响，而对位移模态影响不明显。与完好时相比，含孔洞木塑复合板固有频率会降低，且随孔洞直径的增大，各阶固有频率的降低幅度在加大。此外，孔洞缺陷处曲率模态曲线会产生“突变”。

木塑复合板;ANSYS;振动特性;模态分析

木塑复合材料由于其具有环保、经济、低碳、可再利用等优点，已经逐渐发展成为一种重要的工业材料[1]。其应用领域，由过去比较简单的低附加值产品向相对复杂的高附加值产品如房屋、建筑、管材、地板等方向发展。学者们对木塑复合材料的制造工艺和材料性能等方面已进行了较多的研究[2-4]，但是，针对木塑复合材料的振动特性开展的研究还相对较少。结构振动特性研究是评价结构动力学特性的基础，也是开展结构无损检测的前提[5]。本文将从这一角度出发，采用ANSYS软件对木塑复合板的振动特性展开分析。

1 有限元模型构建

木塑复合板试样规格为:1000mm(长)×130mm(宽)×8mm(厚)。利用有限元软件ANSYS对木塑复合板试样进行建模，长度方向为z轴，宽度方向为x轴，厚度方向为y轴。模型单元类型分别采用PLANE42和SOLID45进行模拟，材料属性选为线弹性各向同性材料。依据木塑复合板试件实际数值，对模型的弹性模量、泊松比和密度，分别设定为2.52 GPa、0.3、1 030kg/m3。

对模型进行网格离散化时，采用MeshTool中Smartsize命令对模型进行网格化。这样能够充分利用ANSYS软件的自适应功能，使网格划分更为合理。网格划分后，共包含2210个节点，6060个单元(见图1(a))。

为研究缺陷对木塑复合板振动特性的影响，采用ANSYS分别模拟了木塑复合板含有不同大小孔洞时的模型。含孔洞模型的单元类型、材料属性等并没有发生变化，主要是单元数目及布局发生了变化，对含孔洞模型仍然采用MeshTool中Smartsize命令进行网格化。孔洞缺陷位于板材中心位置(见图1(b))。孔洞缺陷直径依次设定为:18、26、36、42mm。

图1 木塑复合板试样有限元模型

2 模态分析方法

2.1 固有频率和位移模态振型提取

结构的固有频率和振型是反映其振动特性的两个重要指标，也是分析结构动力学特性的基础[6]。在木塑复合板有限元模型建立完成后，为获取其固有频率和位移模态振型，需对模型进行模态分析。

采用ANSYS软件，对模型在不含孔洞、含有不同大小孔洞时的模型分别进行自由模态分析，即在不施加任何载荷的情况下，分析其固有频率和模态振型。采用Subspace子空间法提取有限元模型前8阶模态，分析截至频率设定为10000 Hz。

模态振型是反映结构上各点之间相对位移关系的一组比值，是结构在某阶固有频率下振动时发生变形的形状，是结构的固有属性[5]。当结构的内部构造、外部约束条件以及运行状态不发生变化的情况下，结构的振型保持不变。在分析每一阶固有频率所对应的模态振型时，主要考察模型上各节点在y方向位移变化情况，通过观察ANSYS软件后处理中各节点的位移云图和位移值来实现。

2.2 曲率模态计算

曲率模态不能直接测量，它可由位移模态振型测量间接得到，即在位移模态测量的基础上，由中心差分法可得到曲率模态[7-9]。对于有限元离散模型而言，曲率模态可近似表示为

式中:Φik为第i阶位移模态振型幅值;k为节点;δ为相邻节点的距离。

采用有限元进行分析时，通过对木塑复合板试件有限元模型进行模态分析，则可以直接得到模型的三维振型图。然后，拾取模型位移模态振型上表面轴线上各节点位移值，再利用式(1)即可计算出有限元法分析所得的曲率模态振型。

3 结果与分析

3.1 固有频率

采用ANSYS对木塑复合板模型进行模态分析，分别获取了完好、中间位置含有不同大小孔洞缺陷木塑复合板的前8阶固有频率(见表1)。从表1可以看出，孔洞缺陷对木塑复合板的固有频率有比较显著的影响。与完好时相比，含有孔洞缺陷木塑复合板的各阶固有频率均较低。随着孔洞直径增大，各阶固有频率变化幅度均在逐渐增大。对无孔洞和含直径18mm孔洞木塑复合板的固有频率进行比较发现，频率变化幅度较大;而当孔径大于18mm时，随孔径增大，频率变化幅度逐渐变小。

此外，随着孔洞直径增大，各阶固有频率变化幅度并不相同。其中，第7阶和第8阶固有频率变化幅度最大，而第5阶固有频率变化幅度最小。从频率变化总体趋势看，高阶固有频率变化幅度较大，而低阶固有频率变化幅度较小。

表1 完好和中间含有孔洞木塑复合板样本固有频率值模拟结果

3.2 位移模态振型和曲率模态振型

图2和图3分别显示了完好木塑复合板和中间位置含直径42mm孔洞木塑复合板的前8阶位移模态振型。从图2和图3可以看出，第1阶、第2阶、第4阶、第6阶和第8阶位移模态振型均为y方向弯曲模态振型;第3阶和第7阶位移模态振型为扭转模态振型;第5阶位移模态振型为x方向弯曲模态振型。对比图2和图3中各阶模态振型发现，与完好木塑复合板相比，当木塑复合板含有孔洞缺陷时，其各阶位移模态振型变化并不十分明显。

图2 完好木塑复合板的前8阶位移模态振型

图3 中间位置含有直径42mm孔洞时木塑复合板的前8阶位移模态振型

仅靠观察木塑复合板的三维位移模态振型，难以分析孔洞缺陷对其所造成的影响，因此需要获取模型中各节点的位移变化值，并对这些数据进行分析，进而讨论孔洞缺陷对木塑复合板振动特性的影响[10]。在ANSYS模态分析的后处理阶段，能够通过list results命令条查看各阶模态中每一节点的位移值。本文则通过拾取x值为130mm、y值为0、与z轴平行的一条线上各个节点在y方向的位移变化值，绘制了木塑复合板前8阶位移模态振型曲线(见图4)。从图4中也可以清楚看出，第1阶、第2阶、第4阶、第6阶和第8阶位移模态振型均为弯曲模态振型。第3阶和第7阶位移模态振型为扭转模态振型。其中，由于第5阶位移模态振型为x方向弯曲模态振型，各个节点在第5阶固有频率下所产生的y方向位移值变化量级非常小，因此在图中近似显示为直线。

分析得到木塑复合板有限元模型的各阶位移模态振型之后，即可利用式(1)计算得到其对应的各阶曲率模态振型。对应于不同阶次和不同大小孔洞缺陷，木塑复合板有限元模型的位移和曲率模态振型曲线较多，限于篇幅，下面仅以完好和含有不同大小缺陷木塑复合板有限元模型的第1阶位移和曲率模态振型曲线为例进行对比分析(见图5)。从图5(a)可知，当木塑复合板含有孔洞缺陷时，与完好时相比，其第1阶位移模态振型没有明显变化，完好和含有孔洞缺陷模型的第1阶位移模态振型曲线基本重合。因此，若仅仅分析木塑复合板的位移模态振型，难以判断其是否含有缺陷。然而，从图5(b)可知，与不含孔洞时相比，当木塑复合板含有孔洞缺陷时，其第1阶曲率模态振型具有比较显著的变化。当木塑复合板在中间位置含有孔洞缺陷时，孔洞缺陷处曲率模态曲线会产生突然“突变”。此外，随着孔洞直径的变化，孔洞缺陷处各节点的曲率模态值有逐渐增大的趋势，但这一趋势表现得并不十分明显。综上所述，与位移模态振型相比，曲率模态振型对木塑复合板的缺陷更为敏感，能够比较显著地显示缺陷位置及大小。

图4 完好木塑复合板前8阶位移模态振型曲线

图5 木塑复合板中间位置含有不同大小孔洞时第1阶位移和曲率模态振型曲线

4 结论

利用ANSYS软件中模态分析功能组块，能够有效、快捷地分析木塑复合板的固有频率、振型等振动特性。

与完好时相比，含有孔洞缺陷木塑复合板的各阶固有频率均会降低，且随着孔洞直径的增大，各阶固有频率的降低幅度也在加大，但各阶固有频率变化程度并不相同。

当孔洞缺陷体积相对于木塑复合板整体体积较小时，其对木塑复合板位移模态振型的影响也较小，其位移模态振型没有明显变化。

木塑复合板只要含有孔洞，不论含有的孔洞大小，均对木塑复合板的曲率模态振型有比较显著的影响。

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Vibration Properties of Wood-Plastic Composite Based on ANSYS Software

/Ni Songyuan，Wang Lihai，Xu Huadong(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-49～51

Wood-plastic composites;ANSYS;Vibration properties;Modal analysis

S781

1)国家科技支撑课题(2006BAD18B07)。

倪松远，男，1979年8月生，东北林业大学工程技术学院，博士研究生。E-mail:nisy@nefu.edu.cn。

王立海，东北林业大学工程技术学院，教授。E-mail:lihaiwang@yahoo.com。

2011年1月17日。

责任编辑:张 玉。

To analyze the vibration properties of wood-plastic composites，ANSYS software was adopted to build the finite element models for the wood-plastic composites which were intact or contained different size hole defects.Modal analysis method was employed to obtain the first eight order intrinsic frequencies and displacement modes，which were used to calculate the curvature modes.Then the effects of hole defects on the intrinsic frequencies and modal shapes of the wood-plastic composites were discussed.Results show that ANSYS software can be effectively used to analyze the vibration properties of intrinsic frequencies and modal shapes of wood-plastic composites.Hole defect has a significant effect on the intrinsic frequencies and curvature modes.The intrinsic frequencies of the defective models are lower than those of the intact models，and the decrease degree increases as the defect size increases.In addition，the curves of curvature modes at hole position have an abrupt jump.