基于ansys的偏心軸模態(tài)分析

基于ansys的偏心軸模態(tài)分析

模型分析用于確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)械件的振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振幅類型。它們是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。它也可以作為其他動(dòng)態(tài)分析的初始參數(shù)。ANSYS可以對(duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)和循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。偏心軸是振動(dòng)篩的一個(gè)重要零件,是振動(dòng)篩激振力的主要來(lái)源,因此對(duì)偏心軸進(jìn)行模態(tài)分析有著很重要的意義。1創(chuàng)建偏移軸模型1.1pro/e與anass的連接在偏心軸有限元模型建立之前,需得到其實(shí)體模型。實(shí)體建模方式主要有CAD建模與ANSYS建模兩種。一般情況下對(duì)于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜的零件,首先采用CAD建模方式,通過(guò)軟件接口將模型導(dǎo)入ANSYS中。本研究是在Pro/E中建立偏心軸的實(shí)體模型,然后通過(guò)接口技術(shù)將其導(dǎo)入ANSYS中,并通過(guò)前處理得到有限元模型。Pro/E和ANSYS的連接過(guò)程和要求如下:(1)在同機(jī)的同一系統(tǒng)下需要安裝有Pro/E和ANSYS兩種軟件;(2)保證上述兩種軟件的版本兼容,Pro/E的版本不得高于同期的ANSYS的版本(作者采用Pro/EWildfire3.0與ANSYS10.0,兩者可以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接);(3)連接方式:開(kāi)始-程序-ANSYS-Utility-ANS_ADSIN-Configurationoptions(OK)-ConfigurationConnectionforPro/E(OK)-選擇ANSYSProduct-選擇Graphicsdevicename(NT:Win32)-給出Pro/Engineerinstallationpath。連接成功后可以發(fā)現(xiàn)Pro/E窗口的菜單上多出個(gè)名為ANSYS的菜單。1.2軸肩中心軸、中心對(duì)稱平面對(duì)偏心軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知,偏心軸結(jié)構(gòu)對(duì)稱,可通過(guò)拉伸和鏡像的方法建立。坐標(biāo)系采用軸承裝配處的軸肩中心軸為z軸;中心對(duì)稱平面為xoy平面。在建模過(guò)程中要注意單位的問(wèn)題,不同物理量的單位必須協(xié)調(diào)。質(zhì)量、長(zhǎng)度、時(shí)間等基本物理量的單位分別采用kg、mm、s。根據(jù)偏心軸的尺寸參數(shù)用Pro/E對(duì)偏心軸進(jìn)行實(shí)體模型,得到的實(shí)體模型如圖1所示。1.3創(chuàng)建偏移軸的金元模型(1)篩框作圓運(yùn)動(dòng)此偏心軸為礦用重篩的激振器軸,在偏心軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的作用下篩框作圓運(yùn)動(dòng)。偏心軸采用40Cr,軸的材料參數(shù):楊氏模量E=210×109Pa,密度ρ=7820kg/m3,泊松比0.28,選用SOLID45三維實(shí)體結(jié)構(gòu)單元。(2)彈簧剛度的模擬為了減小誤差,更真實(shí)地反應(yīng)主軸的動(dòng)態(tài)特性,不能簡(jiǎn)單地將軸承作為剛性約束處理,應(yīng)該將每組軸承看作4個(gè)周向均布的壓縮彈簧。每個(gè)彈簧用彈性支承單元COMBIN14來(lái)模擬,每個(gè)彈簧的剛度為相應(yīng)軸承徑向剛度,軸向預(yù)緊后的徑向剛度可參閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(注意:在不同單元的重合節(jié)點(diǎn)處應(yīng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)自由度的耦合)。根據(jù)以上要求,得到的偏心軸有限元模型如圖2所示。2模型分析2.1anasas非定常模態(tài)動(dòng)力學(xué)分析對(duì)于一個(gè)n自由度線性定常系統(tǒng),其運(yùn)動(dòng)方程可寫成:式中:[M]、[C]和[K]分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣;{ü}、{u}、{u}和{F(t)}分別為系統(tǒng)各點(diǎn)速度響應(yīng)向量、加速度響應(yīng)向量、位移響應(yīng)向量和激勵(lì)力向量。模態(tài)分析求解的是固有頻率和振型參數(shù)固有模態(tài),與外載荷無(wú)關(guān),忽略結(jié)構(gòu)阻尼的影響,系統(tǒng)無(wú)阻尼自由振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為:其對(duì)應(yīng)的特征方程為:式中:ωi為自由振動(dòng)固有頻率,由特征方程可得ωi=[K]/[M],n個(gè)自由度的系統(tǒng)就存在n個(gè)固有頻率。在ANSYS的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中,實(shí)際工程中動(dòng)載荷{F(t)}是不同的,它包括以下四種:(1)模態(tài)分析:{F(t)}={0};(2)諧響應(yīng)分析:{F(t)}為周期載荷;(3)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析:{F(t)}為沖擊載荷;(4)譜分析:{F(t)}為隨機(jī)載荷。其中模態(tài)分析可以確定一個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),也是模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中必要的參數(shù)。模態(tài)分析的好處:(1)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振或以特定頻率進(jìn)行振動(dòng);(2)使工程師可以認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)對(duì)于不同類型的動(dòng)力載荷是如何響應(yīng)的;(3)有助于在其它動(dòng)力分析中估算求解控制參數(shù)(如時(shí)間步長(zhǎng))。2.2結(jié)構(gòu)的振型對(duì)振動(dòng)的影響對(duì)模型采用分塊Lanczos算法,Lanczos算法是一種功能強(qiáng)大的方法,當(dāng)提取中型到大型模型(50~100個(gè)自由度)的大量振型時(shí),這種方法很有效;經(jīng)常應(yīng)用在具有實(shí)體單元或殼單元的模型中;可以很好地處理剛體振型。結(jié)構(gòu)振動(dòng)可由每階固有振型的線性組合表示,其中低階固有振型較高階固有振型對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大,低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定作用。在進(jìn)行偏心軸的模態(tài)分析時(shí)提取了該軸的前10階頻率,然后利用ANSYS進(jìn)行求解得到的該軸的前10階的頻率,并將其數(shù)據(jù)導(dǎo)出,得到各階頻率的數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)有限元模擬得到的固有頻率來(lái)計(jì)算主軸的前幾階臨界轉(zhuǎn)速ni=60ω,然后根據(jù)振動(dòng)篩的實(shí)際工作情況,選擇與實(shí)際轉(zhuǎn)速相接近某幾階頻率下的臨界轉(zhuǎn)速。振型的大小只是一個(gè)相對(duì)的量值(位移相對(duì)值),它表征的是各點(diǎn)在某一階固有頻率上振動(dòng)量值的相對(duì)比值,反映該固有頻率上振動(dòng)的傳遞情況,并不反映實(shí)際振動(dòng)的數(shù)值。圖3~圖6為第6階~第9階頻率下對(duì)應(yīng)的振型圖,由于這幾階的頻率下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速跟實(shí)際轉(zhuǎn)速相接近,所以這幾階下的振型圖有利于我們定性地考察軸的變形情況。3模態(tài)分析的作用對(duì)振動(dòng)篩的偏心軸進(jìn)行了模態(tài)分析,求出了前10階固有頻率和相對(duì)振型,方法簡(jiǎn)便、計(jì)算快捷、