基于ANASY的CT方舱有限元建模与模态分析

白 松，于宝国，范 斌，丁 辉，张永忠，樊毫军，侯世科

基于ANASY的CT方舱有限元建模与模态分析

白 松，于宝国，范 斌，丁 辉，张永忠，樊毫军，侯世科

目的：利用计算机仿真技术对CT方舱结构进行模态分析，为方舱结构优化提供指导。方法：利用ANSYS有限元分析平台，以CAD模型为基础，建立CT方舱的结构有限元模型，对模型进行模态分析并研究方舱结构的动力学特性。结果：方舱结构模态避开了底盘系统的固有频率，避免了结构发生整体共振；第3阶和第4阶模态频率与发动机怠速频率接近，容易发生共振；路面不平度激励频率覆盖了舱体前6阶模态频率，建议进一步对CT设备支架采取减振措施。结论：基于有限元基本理论，利用现有的软件平台，可以对方舱舱体结构进行仿真模态分析，分析结果可以为今后方舱结构优化、改善动力学特性提供重要依据。

有限元法；CT方舱；模态分析；动力学特性

0 引言

基于有限元仿真的模态分析实际上是近似求解结构振动微分方程特征值的过程[1]。通过建立振动结构的参数模型（物理参数模型、模态参数模型和非参数模型），采用包括最小二乘法在内的多种近似方法进行参数识别，进而求解结构的固有频率和振型，确定结构的振动特性。模态分析是结构动力学分析的基础，也是结构优化设计、故障诊断和状态监测的重要手段[2-5]。

本文的研究对象CT方舱是方舱医院系统的组成部分，舱内安装了一套双排螺旋CT[6-7]。由于CT是高精密设备，其部件，如球管、线路板等，对振动和冲击比较敏感，因此要求方舱结构在运输过程中要具有良好的动力学性能。本文建立CT方舱结构的有限元模型，并对该模型进行了模态分析，得到了模态频率和模态振型。通过对方舱结构动力学特性进行分析，为优化方舱结构、改善动力学特性提供了参考依据。

1 有限元建模

1.1 方舱结构描述

CT方舱为标准6 m双侧扩展方舱，具有自装卸功能；方舱采用手动推拉翻板的扩展方式，具有扩展机构相对简单、展收时间较短、密封性好等特点。CT方舱收拢状态和扩展状态的CAD模型如图1所示。尺寸参数详见表1。

图1 CT方舱的CAD模型

表1 双侧扩展方舱尺寸参数

方舱舱体大板是“三明治”夹层板壳结构，内外2层为3 mm厚的铝板，层芯为矩形铝型材和硬质聚氨酯泡沫板，其中矩形铝型材作为层芯的骨架。大板整体采用高强度黏结剂高温加压黏结而成，其截面图如图2所示。夹层板之间通过铆接连接，内外层铝板与层芯通过黏结剂紧密连接，互相传递应力，其中，弯矩和扭矩主要由铝型材骨架承载，内外2层铝板主要承载横向剪切应力，舱体结构具有整体力学性能。因此，本文将舱体大板近似为支架面板，作为整体结构来研究。

图2 方舱大板的截面图

1.2 有限元模型建立

利用ANSYS软件的几何建模功能，按照实际形状和尺寸，采用自下而上的方法（依次生成点、线、面、体）建立舱体的几何模型，对几何模型划分网格，得到结构有限元模型。舱体的几何模型与原始CAD模型保持一致，同时根据有限元的计算要求，进行了必要的简化。忽略了较小的倒角、倒圆和一些对力学结构影响较小的工艺结构。

本文将舱体大板作为整体结构来研究，“三明治”夹层板可作为连续层处理，同时每一层的截面厚度、材料属性均不同，因此采用四节点三维壳单元（shell181）定义大板网格，将壳单元分为3层，内外层定义为3 mm铝板，中间层定义为聚氨酯泡沫板，单元截面属性如图3所示。考虑到舱体大板的层芯是由骨架和泡沫板组成，两者的力学特性不同，因此层芯不能简单地等效为均质材料。在建模过程中将铝型材骨架单独划分网格，采用可定义截面类型及几何参数的两节点三维梁单元（beam188）来定义，单元截面特性如图4所示。由于本文主要考虑方舱在收拢状态下的结构动力学特性，而收拢状态下方舱的翻板等扩展机构均与舱体紧密结合并锁死，因此，在建模过程中，将舱体的扩展机构与舱体之间视为刚性连接。结构中存在的铆接、焊接以及螺栓等连接均处理成刚性连接。

通过增加网格单元数量可提高有限元计算的精度，但是当单元数量增加到一定程度后，精度提高甚微，因此本文通过对比前后2次计算结果的差别，确定了满足精度要求和经济性的网格单元数量。最终确定舱体的结构有限元模型由3 585个三维壳单元和1 150个三维梁单元组成，如图5所示。

图3 多层壳单元形状图

图4 梁单元截面图

图5 舱体的结构有限元模型

2 模态分析

2.1 模态分析结果

采用适用于壳体模型的分块Lanczos法对舱体结构有限元模型进行模态提取。在无约束情况下，前6项计算结果为结构的刚体位移，应忽略。舱体结构的前6阶模态见表2。前6阶模态振型如图6所示。

表2 前6阶模态计算结果

图6 前6阶模态振型图

从表2和图6可以看出，舱体的前3阶模态为整体模态，模态频率在13～22 Hz范围内均匀分布，模态振型主要表现为舱体结构的整体扭转和弯曲。其中，第1阶模态为整体扭转振动，该振型会造成舱体结构4个角点处弹性变形增大，严重时导致舱体大板的局部损害。第2阶和第3阶模态振型为整体弯曲振动，两侧板和骨架梁产生较大的弯曲变形，而且在较为接近的频率范围内出现了2次弯曲振型，表明舱体大板的骨架刚度不足，如果内外部激励频繁激发这两阶模态，会导致两侧板和骨架梁的疲劳损坏。第4、5、6阶模态振型为舱体结构的局部振动，主要表现为侧壁、顶板、前壁的组合变形。局部模态对整体结构振动贡献较小，不会造成严重的结构损害。局部模态振型表明，舱体大板结构存在一些薄弱环节，大面积的薄板结构造成部分地方结构刚度不足，振幅较大的地方容易出现局部损害，可适当在这些位置安装加强筋以提高结构刚度。

总体来说，舱体结构的前6阶模态分布在13～30 Hz频率范围，整体模态主要是前3阶，振型以整体扭转和弯曲振动为主，局部模态表现为舱体大板的局部振动。舱体骨架和大板部分位置的刚度不足，还需要进一步加强。

2.2 计算结果分析

机械结构在激励作用下的振动实际上是各阶模态按一定比例（模态参与因子）相互叠加的结果[8]。对于汽车来说，低阶整体模态的参与因子要远远高于其他模态，是车辆振动的主要因素[9]。本文着重对舱体结构的前6阶模态进行分析。

根据振动理论，舱体结构的低阶整体模态频率要避开激励频率以及与舱体连接的汽车其他子系统的固有频率，否则舱体会发生结构共振。车辆在行驶过程中受到内外多种激励作用，其中对振动影响较大的主要有发动机振动、路面不平度、车轮不平衡激励以及传动轴激励。与舱体连接的是底盘系统，该车型底盘系统属于二类底盘，包括了车架、悬架、传动系、发动机等多种部件，整体固有频率难以获取，因此本文主要考虑车架-悬架的固有频率对舱体机构振动的影响。

根据模态分析结果，对舱体结构的动力学特性分析如下：

（1）根据该二类底盘的技术资料，车架-悬架的共振频率为2～3.5 Hz。舱体结构前6阶模态频率远大于共振频率，避开了底盘系统的固有频率。

（2）该车型采用直列四缸发动机，发动机振动激励主要是二阶往复惯性力。怠速时发动机转速700r/min（激振频率（23.3±1.67）Hz），匀速行驶时发动机转速3 000 r/min（激振频率（100±1.67）Hz）。可以看出，车辆匀速行驶时，舱体结构前6阶模态频率已避开发动机激振频率，不会产生结构共振；但是在怠速时，第3阶和第4阶模态频率与发动机激振频率较为接近，容易发生共振，既有整体弯曲振动，也存在前后壁板的局部振动。

（3）车轮不平衡激励频率一般低于11 Hz，传动轴激励频率一般在40 Hz以上，舱体结构前6阶模态频率已避开这2种激励的频率范围，且激励能量较小，对车辆整体振动影响不大。

（4）根据我国路面不平度分类标准[10]，在车速36～108 km/h时，路面不平度激励的能量主要分布在28.3 Hz以内的频率范围，对车辆低频振动影响较大。可以看到，舱体结构前6阶模态频率均在此频率范围内，容易产生共振。同时，该型CT方舱车辆需要执行多样化卫勤任务，面对的路况较为复杂。特别是野外遂行机动时，可能会遇到起伏路、坑、沟等路况，此时路面不平度位移幅值也会大幅增大，同时激励成分不仅包括随机振动激励，还可能存在冲击激励，对方舱结构振动造成较大的影响。

经上述分析可以看出，方舱结构模态避开了底盘系统的固有频率；对振动影响较大的主要是发动机激励和路面不平度激励，其中发动机怠速时会引发舱体整体弯曲振动和局部振动，路面不平度激励频率覆盖了舱体前6阶模态频率，极易引发舱体共振。对于舱内CT设备减振，仅通过优化舱体结构

（▶▶▶▶）（◀◀◀◀）设计无法完全避开上述激励的影响，建议对CT设备的支架进一步采取减振措施。

3 结论

本文基于ANSYS有限元分析平台，建立了CT方舱的结构有限元模型和模态分析，得到了方舱结构的模态频率和模态振型。通过与车辆底盘系统固有频率以及内外部激励频率的对比，分析了方舱结构的动力学特性。结果表明方舱结构模态避开了底盘系统的固有频率，避免了结构发生整体共振；第3阶和第4阶模态频率与发动机怠速频率接近，容易发生共振；路面不平度激励频率覆盖了舱体前6阶模态频率，建议进一步对CT设备支架采取减振措施。有限元建模方法及模态分析结果可以为今后优化方舱结构、改善动力学特性提供依据。

[1]曹树谦，张文德，萧龙翔．振动结构模态分析——理论、试验与应用[M]．天津：天津大学出版社，2001：1-3.

[2]赵登宝，倪受东，盛志刚.基于ANSYS医用三轴平台直线导轨的模态分析[J].制造业自动化，2014，36（10）：57-59.

[3]宫文峰，黄美发，张美玲，等.基于ANSYS Workbench的倒装键合机钣金件模态分析与实验[J].机械设计，2014，31（8）：101-105.

[4]王思祖，黄鼎友，曹佳，等.全承载式客车车身结构轻量化设计[J].机械设计与制造，2014（10）：73-75.

[5]刘贺，董皓，张君安.四轮转向电动汽车车架的设计与有限元分析[J].汽车实用技术，2014（10）：40-43.

[6]谭树林，赵秀国，段德光，等.武警方舱医院研究与设计[J].医疗卫生装备，2012，33（11）：75-77.

[7]丁辉，侯世科，樊毫军，等.武警方舱医院CT方舱的研制[J].医疗卫生装备，2012，33（11）：81-82，102.

[8]夏雪宝，向阳，吴绍维.基于模态振型叠加的结构振动形状优化研究[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2014，38（5）：1 079-1 082.

[9]张平，雷雨成，高翔，等.轿车车身模态分析及结构优化设计[J].汽车技术，2006（4）：5-9.

[10]林茂成，赵济海.GB 7031—1987 车辆振动输入——路面平度表示方法[S].北京：中国标准出版社，1987.

（收稿：2015-03-05 修回：2015-06-12）

Finite element model and modal analysis of CT shelter based on ANSYS

BAI Song,YU Bao-guo,FAN Bin,DING Hui,ZHANG Yong-zhong,FAN Hao-jun,HOU Shi-ke
（Institute for Disaster&Emergency Rescue Medicine,Affiliated Hospital of Logistics University of CAPF,Tianjin 300162,China）

ObjectiveTo perform modal analysis of CT shelter by applying computer simulation technology so as to provide theoretical guidance for CT shelter structure optimization.MethodsBased on CAD model,the finite element model of a CT shelter was established with ANSYS simulation platform.Through modal analysis,different-order modal frequency and modal shape of the shelter were computed and the kinetic characteristics were evaluated.ResultsLow order modal frequency was kept away from the natural frequency range of chassis system resonance to avoid the overall structure resonance;the 3rd and the 4th modal frequency and engine idle speed frequency were very close so that local resonance might occur;road roughness excitation frequency covered the first 6 order modal frequencies and the further vibration-reducing measures of CT equipment were suggested.ConclusionBased on the theories of finite element method and current software platform,modal analysis of shelter structure can be simulated and the results can provide valuable data for the improvement of kinetic characteristics and structure design.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（9）：14-16，30]

finite element method;CT shelter;modal analysis;kinetic characteristics

R318；R197.39

A

1003-8868（2015）09-0014-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.09.014

国家自然科学基金项目（71173232）；天津市科技计划项目（12ZCZDSF0070）；武警后勤学院博士启动金项目（WHB201413）

白 松（1985—），男，博士，讲师，主要从事车辆结构振动与噪声控制、救援医学方面的研究工作，E-mail：soon169@163.com。

300162天津，武警后勤学院附属医院救援医学研究所（白松，于宝国，范 斌，丁 辉，张永忠，樊毫军，侯世科）