0 引 言
某 新 型 龍 門 重 型 修 磨 機(jī) 主 要 由 床 身、工 作 臺(tái)、支 撐臂、主 軸 傳 動(dòng) 系 統(tǒng)、擺 動(dòng) 系 統(tǒng)、砂 帶、頂升連接件等零部件 組 成,主軸傳動(dòng)系統(tǒng)是該龍門重型修磨機(jī)的重要組成 部 分。機(jī) 床 工 作 時(shí),砂帶對(duì)擺動(dòng)套筒有張力作用,而擺 動(dòng) 套 筒 與 頂 升 連 接 件 相 連,因此頂升連接件不僅要承 受 整 個(gè) 擺 動(dòng) 系 統(tǒng) 的 重 力,還要承受砂帶帶來(lái)的張力。因此該頂升連接件的振動(dòng)不僅會(huì)影響頂升系統(tǒng)的工作狀 態(tài) 與 壽 命,同時(shí)也會(huì)對(duì)擺動(dòng)軸系統(tǒng)的工作狀態(tài)產(chǎn)生影響,進(jìn)而影響砂帶與主動(dòng)軸的工作狀態(tài)與壽命。無(wú)論 是 從 降 低 噪 聲 方 面,還是從機(jī)器運(yùn)行可靠性及抗沖擊 的 方 面,都對(duì)頂升連接件的動(dòng)態(tài)性能提出更為嚴(yán)格的 要 求。因 此,對(duì)龍門重型砂帶修磨機(jī)的頂升連接件進(jìn) 行 有 限 元 分 析,找出該零件的不合理部分,對(duì) 于 提 升龍 門 重 型 磨 削 機(jī) 床 的 工 作 性 能 有 著 重 大 意 義。動(dòng) 態(tài) 特性分析即模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù),可以幫助設(shè)計(jì)人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型,從 而使 結(jié) 構(gòu) 避 免 共 振,并指導(dǎo)工程師預(yù)測(cè)在不同載荷作用下 結(jié) 構(gòu) 的 振 動(dòng) 形 式[1]。本文 采 用ANSYSWorkbench15.0對(duì)該 頂 升 連 接 件 進(jìn) 行 模 態(tài) 分 析。
1 頂 升 連 接 件 的 三 維 建 模 及 網(wǎng) 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(duì) 頂 升 連 接 件進(jìn)行三維建模,該零件高度為778mm,長(zhǎng)度為420mm,寬度為130mm。經(jīng)過(guò) 簡(jiǎn) 化,頂 升 連 接 件 的 實(shí) 體 模 型 如圖1所示。從理論上已經(jīng)證明,只要用于離散求解對(duì)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(shí)應(yīng)當(dāng)將一些如倒角、圓角、小孔等細(xì)小工藝忽略,這種忽略一般不會(huì)對(duì)仿真結(jié)果產(chǎn)生明顯的影響,但是可以為后續(xù)的網(wǎng)格劃分與模態(tài)分析提供方便。
1.2頂升連接件的網(wǎng)格劃分
要 想 進(jìn) 行 有 限 元 動(dòng) 態(tài) 分 析,就 必 須 定 義 零 件 材 料及 其 材 料 參 數(shù)。為 了 更 好 地 優(yōu) 化 零 件 的 動(dòng) 態(tài) 性 能 從 而提高機(jī)床的加工性能,本 文 定 義 三 種 材 料 見 表1,通 過(guò)有 限 元 分 析 結(jié) 果,選 出 綜 合 性 能 最 好 的 材 料。
ANSYS有限 元 網(wǎng) 格 劃 分 是 模 態(tài) 分 析 中 至 關(guān) 重 要的 一 步,網(wǎng)格劃分的好壞直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。網(wǎng)格 的 劃 分 需 要 遵 循 一 些 原 則,網(wǎng) 格 的 結(jié) 構(gòu) 及網(wǎng)格的疏密程度都會(huì)在很大程度上影響有限元分析結(jié)果。ANSYS網(wǎng)格劃分需要遵循以下基本原則[4]:
(1)網(wǎng)格 劃 分 數(shù) 量 合 適。網(wǎng) 格 數(shù) 量 太 少,計(jì) 算 精度 達(dá) 不 到,誤 差 偏 大;網(wǎng) 格 太 多,會(huì) 增 加 分 析 過(guò) 程 時(shí) 間而且需要更大的存儲(chǔ)空間。
(2)正 確 把 握 網(wǎng) 格 疏 密 程 度。根 據(jù) 結(jié) 構(gòu) 不 同 部 位采用不同大小的網(wǎng)格,關(guān)鍵部位及結(jié)構(gòu)較小部位的局部網(wǎng) 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(jì) 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(wǎng)格劃分的數(shù)量是采用先少后多的方法,直至分析出來(lái)的結(jié)果與前一次網(wǎng)格劃分分析的結(jié)果相差不大為止。網(wǎng)格劃分方法 有 掃 描 法(sweep)、多區(qū) 域 法(multi-zone)、自動(dòng) 劃 分(automatic)、四面 體 法(tetrahedrons)和六面體法(hexdominant)等[5]。鑒于自動(dòng)劃分法簡(jiǎn)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(dòng)網(wǎng)格劃分,結(jié)果如圖2所示。我們通過(guò)固定凸軸來(lái)限制零件的 自 由 度。每個(gè)零部件都有對(duì)應(yīng)于其固有頻率的無(wú)限多 個(gè) 振 型,而 高 階 振 型 的 阻 尼 值 較 高,在 振動(dòng)中起到的作 用 較 小[6]。本文的模態(tài)分析著重研究在振動(dòng)中有較大 影 響 的 低 階 模 態(tài),即 只 取 前6階 模 態(tài),通過(guò)ANSYSWorkbench仿真的不銹鋼材料頂升件的前6階模態(tài)。
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結(jié) 語(yǔ)
通過(guò)對(duì)原始 零 件 進(jìn) 行 幾 何 建 模,然 后 應(yīng) 用ANSYSWorkbench的模態(tài)分析功能對(duì)其進(jìn)行 模 態(tài) 分 析,從 而 得出能反映零件動(dòng) 態(tài) 性 能 的 前6階 固 有 頻 率 及 最 大 相 對(duì)位移。通過(guò)仿真結(jié)果分析出零件的薄弱環(huán)節(jié),然后從兩個(gè)角度提出3種 改 進(jìn) 方 案。應(yīng) 用SolidWorks對(duì)改 進(jìn) 方案進(jìn)行三維建模,在幾何建模的基礎(chǔ)上分別對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行有限元模態(tài)分析,把改進(jìn)的結(jié)果與原始的頂升連接件模態(tài)分析比較。結(jié)果表明:壁板厚度的增加不僅會(huì)降低零件的固有 頻 率,使 其 動(dòng) 態(tài) 性 能 變 差,而 且 還 會(huì) 使 零件重量增加,浪 費(fèi) 材 料;而 增 加 零 件 底 板 厚 度 則 會(huì) 使 其固有頻率 升 高,增 加 其 剛 度,使 其 動(dòng) 態(tài) 性 能 得 到 優(yōu) 化。零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)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(guò)于復(fù)雜,重量不能盲目增加,盡量均勻 化、合 理 化,基 體 內(nèi) 側(cè) 轉(zhuǎn) 角 處(圖 中 標(biāo) 記 處)最 大 應(yīng)力 為305.0MPa,小于 其 材 料 的 屈 服 極 限,能 充 分 滿 足自 沖 鉚 接 設(shè) 備C型 架 的 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度 條 件。