有限元法在鋁合金薄壁零件振動(dòng)模態(tài)及諧響應(yīng)分析中的應(yīng)用

田慶

摘要：鋁合金薄壁零件是現(xiàn)代航空航天事業(yè)中應(yīng)用十分廣泛的受力構(gòu)件，比如整體框和壁板等。經(jīng)過對(duì)這些零件進(jìn)行研究之后發(fā)現(xiàn)，它們具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度不高等特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于尺寸的精確性限定較為嚴(yán)格。在對(duì)鋁合金薄壁零件進(jìn)行加工的過程中，不僅對(duì)其形變問題較難控制，銑削振動(dòng)問題的出現(xiàn)也不能忽視。本文對(duì)有限元法進(jìn)行概述，在ANSYS軟件的輔助下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金薄壁零件的振動(dòng)模態(tài)和諧響應(yīng)分析。

前言：在對(duì)鋁合金薄壁零件進(jìn)行加工的過程中，出現(xiàn)的較難解決的問題是形變問題，但是另外出現(xiàn)的銑削振動(dòng)問題也是需要重點(diǎn)關(guān)注的。刀具在對(duì)零件進(jìn)行銑削的過程中，會(huì)產(chǎn)生銑削震動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致零件的外征出現(xiàn)質(zhì)量問題，同時(shí)也會(huì)對(duì)刀具和機(jī)床造成損害，影響它們的使用年限，其產(chǎn)生的噪音也會(huì)影響工作人員的工作狀態(tài)和健康。為了解決這種狀況，在某些時(shí)刻會(huì)采取減少機(jī)床銑削工作量的辦法，這就造成了機(jī)床的閑置，沒影響了工作效率。

1 有限元法概述

隨著信息化進(jìn)程的推進(jìn)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和算法實(shí)現(xiàn)了巨大的進(jìn)步，對(duì)于一些較為復(fù)雜的工程可以運(yùn)用離散化的數(shù)值算法，并在計(jì)算機(jī)的輔助下完成求解過程。數(shù)值求解的方法可以分為有限元法以及優(yōu)先差分法。但是從應(yīng)用角度來講，有限元法的進(jìn)步是和計(jì)算機(jī)同步的[1]。

有限元法的基本計(jì)算思想的原理工具為變分原理，利用其將處理對(duì)象轉(zhuǎn)化為變分對(duì)象，之后把不間斷的求解域通過離散的方式使之成為單元有限性，并能按照一定的邏輯關(guān)系聯(lián)接在一起的整體。

有限元法的一般使用流程為：結(jié)構(gòu)方面的離散化、構(gòu)建形函數(shù)、確立平衡方程、求解節(jié)點(diǎn)位移，最后測(cè)算出單元內(nèi)的應(yīng)變與應(yīng)力。在等參元引入之后，有限元法便可以利用極限思想無限逼近精確解，這也就是說單元的劃分越詳細(xì)，就會(huì)使得求解的數(shù)值更精確。但是求解數(shù)值實(shí)現(xiàn)精確需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，因此需要在求解時(shí)間與其精確度上做好衡量工作[2]。

2.鋁合金薄壁零件ANSYS振動(dòng)模態(tài)分析

2.1.ANSYS軟件簡(jiǎn)介

ANSYS軟件在上世紀(jì)70年代被研發(fā)出來，在發(fā)展的過程中不斷不遠(yuǎn)吸收先進(jìn)的計(jì)算機(jī)算法和技術(shù)，到現(xiàn)在已經(jīng)成為功能最強(qiáng)、應(yīng)用最廣的有限元分析軟件。它可以進(jìn)行多種類型的有限元分析，一般分析的順序?yàn)闃?gòu)建有限元模型、添加載荷、瀏覽分析結(jié)果。

2.2.構(gòu)建有限元模型

運(yùn)用ANSYS軟件可以快速進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建，主要方式是：實(shí)體建模、直接確認(rèn)、導(dǎo)入其他已經(jīng)創(chuàng)建模型[3]。

本文的研究對(duì)象是鋁合金薄壁零件，這種薄壁結(jié)構(gòu)可以在此設(shè)定為高2cm，厚度為3mm，為了實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行的便利性以及去除因重復(fù)安置而產(chǎn)生的誤差，實(shí)驗(yàn)過程需要在鋁合金板上實(shí)現(xiàn)全部的薄壁結(jié)構(gòu)的加工。

2.3.材料特性

零件材料為鋁合金2025-T351，包含在A1Cu Mg系之中，可以通過熱處理得到強(qiáng)化，在強(qiáng)度方面較為出色，可以與鋼材相媲美，但是其成分中銅的含量較高，因此容易受到腐蝕，如果在腐蝕較強(qiáng)的環(huán)境中，必須采用防腐蝕手段進(jìn)行處理。在焊接方面表現(xiàn)較差，用途是機(jī)械零件領(lǐng)域。

2.4.網(wǎng)格確定

ANSYS單元庫(kù)中可以提供單元確認(rèn)。由于薄壁結(jié)構(gòu)的厚度是3mm，所以網(wǎng)格的數(shù)量必須達(dá)到一定規(guī)模才能確保其精確性，經(jīng)過推斷在厚度上需要2個(gè)以上的網(wǎng)格單元，進(jìn)過分析將單元邊長(zhǎng)確認(rèn)為1.5mm，如此便獲得了98918個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)則達(dá)到了24506個(gè)。還需要做得就是通過對(duì)裝夾過程進(jìn)行分析，對(duì)其自由度進(jìn)行控制。

3.鋁合金薄壁零件ANSYS諧波響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是一種技術(shù)，它的分析對(duì)象是線性結(jié)構(gòu)，分析確認(rèn)的結(jié)果是分析對(duì)象在承受載荷呈現(xiàn)出其時(shí)間按照某種規(guī)律變動(dòng)的情況下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。在進(jìn)行分析的過程中，會(huì)獲得一些響應(yīng)數(shù)值和線性頻率，讓設(shè)計(jì)人員能夠在其輔助下實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)作的動(dòng)力特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)其能否避免共振以及疲勞等狀況造成的有害后果。本文運(yùn)用諧波響應(yīng)對(duì)薄壁零件進(jìn)行分析，判斷其在周期性刺激的狀況下，在振幅方面的響應(yīng)，為其在高速銑削下出現(xiàn)共振的真實(shí)性進(jìn)行判斷。

本分析也是在ANSYS軟件的輔助下完成的，前面的幾個(gè)步驟與模態(tài)分析的過程沒有區(qū)別，因此不再贅述。所以直接從基于模態(tài)疊加法的諧響應(yīng)分析開始。將諧響應(yīng)的頻率范圍控制在0-5000Hz，0-22000Hz，然后添加x方向荷載300N，節(jié)點(diǎn)為4665。

結(jié)果分析。部件為9個(gè)3mm的薄壁零件，在進(jìn)行加工的過程中形變狀況發(fā)生較為容易，通過對(duì)結(jié)構(gòu)接近分析可知，形變發(fā)生程度最大的部位為薄壁零件的兩邊。在進(jìn)行銑削加工的時(shí)候，要避開那些頻率導(dǎo)致的形變較大的區(qū)域，確認(rèn)頻率的共振區(qū)域，并在零件技工的過程中避免和這些區(qū)域出現(xiàn)重疊，進(jìn)而確保精度。事實(shí)證明，銑削應(yīng)該在5000Hz以下的頻率環(huán)境下開始。發(fā)生共振的部位的頻率是一致的，載荷的與振幅成正比例關(guān)系。這說明，共振部位的頻率變化和載荷之間沒有產(chǎn)生聯(lián)系。通過以上分析，可以使得在進(jìn)行銑削加工的過程中，避免共振的出現(xiàn)，確保零件的質(zhì)量得到較高的提升，延長(zhǎng)刀具的使用年限，降低噪音，使其危害人體健康的情況減少。

4.總結(jié)

鋁合金薄壁零件在航空航天事業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，雖然其加工技術(shù)已經(jīng)取得較大的進(jìn)展，但是在對(duì)其加工的過程中會(huì)出現(xiàn)銑削振動(dòng)的現(xiàn)象，對(duì)加工的質(zhì)量和效率都產(chǎn)生了負(fù)面的影響，產(chǎn)生的噪音也使得工作人員的工作狀態(tài)受到了一定的干擾。本文對(duì)有限元法進(jìn)行概述，在ANSYS軟件的輔助下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金薄壁零件的振動(dòng)模態(tài)和諧響應(yīng)分析。

參考文獻(xiàn)：

[1]何永強(qiáng)，曹巖.基于薄壁件銑削力模型的應(yīng)用分析[J].機(jī)械工程師.2007（10）：112115.

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[3]王立濤，柯映林，黃志剛.航空鋁合金7050 T7451銑削力模型的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程.2003（19）：45 46.