[優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計精品] AAW400減振器端蓋固有特性分析

1、課 程 設(shè) 計 說 明 書學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動化 學(xué) 院： 機(jī)械電子工程 題 目： aaw-400減振器端蓋固有特性分析 指導(dǎo)教師： 職稱: 2011年 12月 12日 課程設(shè)計任務(wù)書 11/12 學(xué)年第 一 學(xué)期學(xué) 院： 機(jī)械工程與自動化學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械電子工程 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 課程設(shè)計題目： aaw-400減震器端蓋固有特性分析 起 迄 日 期： 2011年12月26日2012年1月6日 課程設(shè)計地點(diǎn)： 機(jī)械自動化系 指 導(dǎo) 教 師： 系 主 任： 下達(dá)任務(wù)書日期: 2011年 12月 12日課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書1設(shè)計目的：應(yīng)用有限元技術(shù)所學(xué)

2、知識，結(jié)合機(jī)械cad技術(shù)基礎(chǔ)和機(jī)械振動學(xué)課程，掌握應(yīng)用有限元技術(shù)求解一般機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的方法，為以后科學(xué)研究和實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2設(shè)計內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、條件、設(shè)計要求等）：1）設(shè)計要求：（1）根據(jù)所給aaw400減振器端蓋圖紙，建立cad三維實體模型； （2）應(yīng)用自選有限元軟件，建立其有限元模型（包括網(wǎng)格劃分、邊界約束等）；（3）固有頻率及振型的求解；（4）并給出前六階固有頻率及對應(yīng)的振型圖。2）原始數(shù)據(jù)：見下頁附圖。3設(shè)計工作任務(wù)及工作量的要求包括課程設(shè)計計算說明書(論文)、圖紙、實物樣品等：(1) 根據(jù)所給零件圖紙建立合理的實體模型；(2) 應(yīng)用所建實體模型建立

3、有限元模型；(3) 對所建有限元模型進(jìn)行固有特性求解；(4) 撰寫優(yōu)化設(shè)計說明書一份。課 程 設(shè) 計 任 務(wù) 書4主要參考文獻(xiàn)：1 王勖成，邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法.北京：清華大學(xué)出版社，19952 童秉樞，李學(xué)志.機(jī)械cad技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社，19943 程耀東.機(jī)械振動學(xué).杭州：浙江大學(xué)出版社，19884 倪振華.振動力學(xué).西安：西安交通大學(xué)出版社，1985 5設(shè)計成果形式及要求：設(shè)計說明書一份，字?jǐn)?shù)3000-5000字。6工作計劃及進(jìn)度：2011年12月26日 12月27日 熟悉題目，查閱相關(guān)資料2011年 1月 28 日 12月 30日 建立實體模型和有限元模型2

4、011年12月 31日 1 月 1日 有限元求解、結(jié)果分析2012年 1 月2日 1 月5日 撰寫課程設(shè)計論文2012年1月6日 答辯系主任審查意見： 簽字： 年 月 日aaw-400減振器端蓋固有特性分析摘要：采用solidworks軟件建立了aaw-400減振器端蓋的三維模型，導(dǎo)入到有限元分析軟件ansys中建立端蓋的有限元模型；對端蓋進(jìn)行了模態(tài)分析，求得端蓋固有頻率和振型，為端蓋的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：solidworks；ansys；端蓋；有限元；模態(tài)分析引言aaw400減震器端蓋是非常重要的機(jī)械零件之一。端蓋的一般作用：軸承外圈的軸向定位；防塵和密封，除本身可以防塵和

5、密封外，也常和密封件配合以達(dá)到密封作用；位于車床電動機(jī)和主軸箱之間的端蓋，主要起傳遞扭矩和緩沖減震的作用，使主軸箱的轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。因此該零件具有足夠的強(qiáng)度、剛度耐磨性和韌性，以適應(yīng)端蓋的工作條件。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有特性重要的是結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。模態(tài)分析的典型定義：將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨(dú)立方程，以便求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析主要是研究結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。振動現(xiàn)象是機(jī)械結(jié)經(jīng)常需要面對的問題之一，由于振動會造成結(jié)構(gòu)的共振或疲勞從而破壞結(jié)構(gòu)，所以必須了解結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，避免在實際工況

6、中因共振因素造成結(jié)構(gòu)的損壞，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的模態(tài)分析將為評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性、診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障、新產(chǎn)品的動態(tài)性能的預(yù)估及優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。1.ansys模態(tài)分析簡介ansys有限元分析過程包括四個步驟：1建立模型：指定項目名稱和分析標(biāo)題，然后在前處理中定義單元類型、單元實常數(shù)、材料性質(zhì)和模型幾何性質(zhì)；2加載及求解：定義分析類型和分析選項，施加載荷，進(jìn)行固有頻率的有限元計算，在模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束；3擴(kuò)展模態(tài)：將振型寫入結(jié)果文件，只有擴(kuò)展模態(tài)后才能在后處理中看到振型；4后處理：經(jīng)過擴(kuò)展模態(tài)后，模態(tài)分析的結(jié)果包括固有頻率、擴(kuò)展的模態(tài)振型、相對應(yīng)力和力分布將被寫入

7、到結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件中去。ansys提供了16種模態(tài)提取方法：（1）子空間迭代法（subspace）：用于求解特征值對稱的大矩陣問題；（2）分塊法（block lanczos）：也可用于以上的問題求解，收斂速度更快；（2）power dynamic法。用于非常大的模型（超過100 000個自由度），主要是用在求解結(jié)構(gòu)的前幾階模態(tài)以了解模型特征的問題；（3）縮減法（reduced）：采用縮減的系統(tǒng)矩陣來求解，較子空間迭代法速度快，但準(zhǔn)確性要差一些。使用縮減法時，必須仔細(xì)選擇主自由度，主自由度選擇的不當(dāng)可能導(dǎo)致不正確的質(zhì)量分布和不正確的特征值；（5）非對稱矩陣法（unsymmetric）：用于求解模

8、型生成的剛度矩陣、質(zhì)量矩陣存在不對稱的問題；（6）阻尼法：有些問題阻尼不能忽略，阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中包含阻尼因素。模態(tài)分析屬于線性分析一類，在分析過程中只有線性行為是有效的，即使指定了非線性單元，在計算過程中也將忽略其非線性。但材料的性質(zhì)可以是線性的、非線性的、各向同性的、正交各向異性的、恒定的或與溫度有關(guān)的，非線性性質(zhì)被忽略，在分析中必須指定彈性模量和密度。模態(tài)分析主要是研究結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的固有頻率，用有限元法解決工程實際問題已被廣泛采納。只要給出完全模擬實際工況的邊界條件及正確的機(jī)械振動模型,就可以求解出模型相關(guān)參數(shù),對所設(shè)計產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)及尺寸上的修正和優(yōu)化。本文采用ansys有限元分析軟件

9、對aaw400減震器端蓋進(jìn)行固有特性的分析。ansys有限元分析軟件可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計,避免外力頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率相同,以防止共振現(xiàn)象。3.1分析對象描述該分析對象為某機(jī)床的一個箱體部件，由于該機(jī)床在加工過程中，所承受的切削力很大，同時切削的方式又為間斷切削，因此在實際加工中發(fā)現(xiàn)，讓刀現(xiàn)象很嚴(yán)重，根據(jù)分析的結(jié)果，認(rèn)為床身的剛度不足是其中一個很重要的方面，需要改善這一問題，就必須要提高機(jī)床床身的剛度，床身的基本尺寸如圖 所示（按某比例縮小），所使用的材料為鑄鐵。它主要的性能參數(shù)如下。圖中所示尺寸單位均為mm。端蓋材料為45鋼，彈性模量210e10gpa，泊松比0.31

10、，密度7850kg/m3。3.2 建模及網(wǎng)格劃分1、建模：用solidworks對底座進(jìn)行三維建模。在齒輪箱實體建模過程中，應(yīng)忽略其微小結(jié)構(gòu)，對箱體上的倒角、圓角及箱體上所有的等結(jié)構(gòu)可以忽略，這樣簡化不僅符合有限元建模的規(guī)則，也可以減少ansys 運(yùn)行時的求解時間，同時不會對齒輪箱的重量及剛度產(chǎn)生大的影響。2、8 節(jié)點(diǎn)solid45 單元6網(wǎng)格劃分劃分網(wǎng)格是建立有限元模型的一個重要環(huán)節(jié),劃分網(wǎng)格的形式對計算精度和計算規(guī)模將產(chǎn)生直接影響, 劃分網(wǎng)格時應(yīng)從網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密等方面考慮以下基本原則:網(wǎng)格數(shù)量的多少將影響計算結(jié)果的精度和計算規(guī)模的大小。一般來講, 網(wǎng)格數(shù)量增加, 計算精度會有所提高,

11、但同時運(yùn)算規(guī)模也會增加, 所以在確定網(wǎng)格數(shù)量時應(yīng)權(quán)衡兩個因素綜合考慮, 且應(yīng)考慮分析數(shù)據(jù)的類型。在靜力分析時, 如果僅僅是計算結(jié)構(gòu)的變形, 網(wǎng)格數(shù)量可以少一些; 如果需要計算應(yīng)力,則在精度要求相同的情況下應(yīng)取相對較多的網(wǎng)格。網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格, 這是為了適應(yīng)運(yùn)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)。在運(yùn)算數(shù)據(jù)變化梯度較大的部位( 如應(yīng)力集中處) , 為了較好地反映數(shù)據(jù)變化規(guī)律, 需要采用比較密集的網(wǎng)格;而在運(yùn)算數(shù)據(jù)變化梯度較小的部位, 為減小模型規(guī)模, 則應(yīng)劃分相對稀疏的網(wǎng)格。進(jìn)行應(yīng)力分析( 包括靜應(yīng)力和動應(yīng)力) 適合劃分疏密不同的網(wǎng)格, 而計算固有特性時則趨于采用較均勻的網(wǎng)格形式。這是因

12、為固有頻率和振型主要取決于結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度分布, 不存在類似應(yīng)力集中的現(xiàn)象, 采用均勻網(wǎng)格可使結(jié)構(gòu)剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的元素不致相差太大, 可減小數(shù)值計算誤差。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后, 再繼續(xù)增加網(wǎng)格時精度提高甚微, 而運(yùn)算時間卻有大幅度增加。所以應(yīng)注意增加網(wǎng)格的經(jīng)濟(jì)性。實際應(yīng)用時可以比較兩種網(wǎng)格劃分的運(yùn)算結(jié)果, 如果兩次結(jié)果相差較大, 可以繼續(xù)增加網(wǎng)格, 相反則停止運(yùn)算。3.4模態(tài)分析結(jié)果模態(tài)分析結(jié)果振動支架通過螺釘穿過底板上的安裝孔固定在振動實驗臺上, 在有限元模型中, 把振動支架的邊界約束簡化為固定與螺釘位置相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的各個自由度來實現(xiàn)對支架的約束。約束定義后, 本文利用block

13、lanczos法block lanczos法是ansys默認(rèn)的求解方法計算模態(tài)最后得到前三階。block lanczos法采用lanczos算法，是用一組向量來實現(xiàn)遞歸的。block lanczos法適用于大型對稱矩陣特征值求解問題，最適合由殼或殼與實體組成的模型。 6 , 固有頻率如表2所示。振動支架前三階振型及振型的大小只是一個相對的量值（位移相對值 ），它表征的是各點(diǎn)在某一階固有頻率上振動量值的相對比值，反映該固有頻率上振動的傳遞情況，并不反映實際振動的數(shù)值。振型數(shù)據(jù)表和數(shù)據(jù)圖3.5 結(jié)論（1）高階固有振型要比低階對主軸箱的振動影響大，固有頻率越高其振動越劇烈對結(jié)構(gòu)影響就越大，因此高階振

14、型對主軸箱的動態(tài)特性起決定作用。故應(yīng)避免外界載荷頻率過高，對主軸箱造成損壞。一、建立模型1實體建模用solidworks建立實體三維模型2指定分析標(biāo)題并設(shè)置分析范疇1)定義工作文件名待添加的隱藏文字內(nèi)容32)定義工作標(biāo)題3將實體模型轉(zhuǎn)換為有限元分析從工作目錄中導(dǎo)入簡化后的實體模型實體模型導(dǎo)入ansys中4定義單元類型為單元類型solid255定義材料性能和實常數(shù)1)定義材料屬性45鋼泊松比0.31彈性模量210gp2)定義材料屬性密度78501） 網(wǎng)格劃分單元尺寸控制智能控制6級2）網(wǎng)格劃分方式為自由網(wǎng)格3）單元類型設(shè)置錯誤無法劃分單元定義類型solid25單元低階，采用更高階的solid45定義單元類型。4）單元類型改為solid45六面體單元7建立有限元模型8保存有限元模型二、加載及求解1設(shè)置分析類型為mod