0 引 言
某 新 型 龍 門 重 型 修 磨 機 主 要 由 床 身、工 作 臺、支 撐臂、主 軸 傳 動 系 統、擺 動 系 統、砂 帶、頂升連接件等零部件 組 成,主軸傳動系統是該龍門重型修磨機的重要組成 部 分。機 床 工 作 時,砂帶對擺動套筒有張力作用,而擺 動 套 筒 與 頂 升 連 接 件 相 連,因此頂升連接件不僅要承 受 整 個 擺 動 系 統 的 重 力,還要承受砂帶帶來的張力。因此該頂升連接件的振動不僅會影響頂升系統的工作狀 態 與 壽 命,同時也會對擺動軸系統的工作狀態產生影響,進而影響砂帶與主動軸的工作狀態與壽命。無論 是 從 降 低 噪 聲 方 面,還是從機器運行可靠性及抗沖擊 的 方 面,都對頂升連接件的動態性能提出更為嚴格的 要 求。因 此,對龍門重型砂帶修磨機的頂升連接件進 行 有 限 元 分 析,找出該零件的不合理部分,對 于 提 升龍 門 重 型 磨 削 機 床 的 工 作 性 能 有 著 重 大 意 義。動 態 特性分析即模態分析是計算結構振動特性的數值技術,可以幫助設計人員確定結構的固有頻率和振型,從 而使 結 構 避 免 共 振,并指導工程師預測在不同載荷作用下 結 構 的 振 動 形 式[1]。本文 采 用ANSYSWorkbench15.0對該 頂 升 連 接 件 進 行 模 態 分 析。
1 頂 升 連 接 件 的 三 維 建 模 及 網 格 劃 分
1.1頂升 連 接 件 的 三 維 建 模
本文采用SolidWorks三維 繪 圖 軟 件 對 頂 升 連 接 件進行三維建模,該零件高度為778mm,長度為420mm,寬度為130mm。經過 簡 化,頂 升 連 接 件 的 實 體 模 型 如圖1所示。從理論上已經證明,只要用于離散求解對象的單元足夠小 所 得 解 就 足 夠 逼 近 接 近 值[2]。因此 在 建模時應當將一些如倒角、圓角、小孔等細小工藝忽略,這種忽略一般不會對仿真結果產生明顯的影響,但是可以為后續的網格劃分與模態分析提供方便。
1.2頂升連接件的網格劃分
要 想 進 行 有 限 元 動 態 分 析,就 必 須 定 義 零 件 材 料及 其 材 料 參 數。為 了 更 好 地 優 化 零 件 的 動 態 性 能 從 而提高機床的加工性能,本 文 定 義 三 種 材 料 見 表1,通 過有 限 元 分 析 結 果,選 出 綜 合 性 能 最 好 的 材 料。
ANSYS有限 元 網 格 劃 分 是 模 態 分 析 中 至 關 重 要的 一 步,網格劃分的好壞直接影響分析結果的準確性[3]。網格 的 劃 分 需 要 遵 循 一 些 原 則,網 格 的 結 構 及網格的疏密程度都會在很大程度上影響有限元分析結果。ANSYS網格劃分需要遵循以下基本原則[4]:
(1)網格 劃 分 數 量 合 適。網 格 數 量 太 少,計 算 精度 達 不 到,誤 差 偏 大;網 格 太 多,會 增 加 分 析 過 程 時 間而且需要更大的存儲空間。
(2)正 確 把 握 網 格 疏 密 程 度。根 據 結 構 不 同 部 位采用不同大小的網格,關鍵部位及結構較小部位的局部網 格 劃 分 密 集 一 些。
(3)正 確 選 擇 單 元 階 次。增加單元階次可以提高計 算 精 度,精度要求高的重要部位要選擇高階單元,精度 要 求 低 的 次 要 部 位 可 以 選 用 低 階 單 元。
網格劃分的數量是采用先少后多的方法,直至分析出來的結果與前一次網格劃分分析的結果相差不大為止。網格劃分方法 有 掃 描 法(sweep)、多區 域 法(multi-zone)、自動 劃 分(automatic)、四面 體 法(tetrahedrons)和六面體法(hexdominant)等[5]。鑒于自動劃分法簡單易上手且也有很 好 的 效 果,完 全 滿 足 仿 真 的 需 要,本 文 采用自動網格劃分,結果如圖2所示。我們通過固定凸軸來限制零件的 自 由 度。每個零部件都有對應于其固有頻率的無限多 個 振 型,而 高 階 振 型 的 阻 尼 值 較 高,在 振動中起到的作 用 較 ?。郏叮?。本文的模態分析著重研究在振動中有較大 影 響 的 低 階 模 態,即 只 取 前6階 模 態,通過ANSYSWorkbench仿真的不銹鋼材料頂升件的前6階模態。
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結 語
通過對原始 零 件 進 行 幾 何 建 模,然 后 應 用ANSYSWorkbench的模態分析功能對其進行 模 態 分 析,從 而 得出能反映零件動 態 性 能 的 前6階 固 有 頻 率 及 最 大 相 對位移。通過仿真結果分析出零件的薄弱環節,然后從兩個角度提出3種 改 進 方 案。應 用SolidWorks對改 進 方案進行三維建模,在幾何建模的基礎上分別對各個方案進行有限元模態分析,把改進的結果與原始的頂升連接件模態分析比較。結果表明:壁板厚度的增加不僅會降低零件的固有 頻 率,使 其 動 態 性 能 變 差,而 且 還 會 使 零件重量增加,浪 費 材 料;而 增 加 零 件 底 板 厚 度 則 會 使 其固有頻率 升 高,增 加 其 剛 度,使 其 動 態 性 能 得 到 優 化。零件的結構優化要遵循以下原則:不能影響零件原本的使用功能,工藝不能過于復雜,重量不能盲目增加,盡量均勻 化、合 理 化,基 體 內 側 轉 角 處(圖 中 標 記 處)最 大 應力 為305.0MPa,小于 其 材 料 的 屈 服 極 限,能 充 分 滿 足自 沖 鉚 接 設 備C型 架 的 結 構 強 度 條 件。