基于ANSYS的某型號(hào)帶式輸送機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析

基于ANSYS的某型號(hào)帶式輸送機(jī)機(jī)架的模態(tài)分析*

李倩，王耀耀，劉學(xué)軍

(河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 汽車工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000)

摘要：當(dāng)帶式輸送機(jī)輸送帶的振動(dòng)頻率與機(jī)架的頻率接近時(shí)，容易發(fā)生共振，從而影響帶式輸送機(jī)的整體性能。文章以某型號(hào)長(zhǎng)距離、大運(yùn)量水平帶式輸送機(jī)機(jī)架作為研究對(duì)象，利用有限元仿真軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。通過(guò)分析得到了帶式輸送機(jī)機(jī)架前6階固有頻率值和振型圖，進(jìn)而得出設(shè)備容易發(fā)生共振的頻率值，對(duì)以后輸送機(jī)機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：帶式輸送機(jī)；機(jī)架；模態(tài)分析；ANSYS

收稿日期：2015-06-25

中圖分類號(hào)：TH122

0引言

帶式輸送機(jī)是散狀物料的主要運(yùn)輸工具之一，由于它具有效率高、可靠性強(qiáng)、工作安全等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、港口、建材等領(lǐng)域。目前，由于帶式輸送機(jī)在現(xiàn)代運(yùn)用范圍越來(lái)越廣泛，逐步向長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高速化發(fā)展，這就使得輸送機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的振動(dòng)問(wèn)題日益突出[1]。所以，傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對(duì)設(shè)備性能的要求，而對(duì)帶式輸送機(jī)進(jìn)行的動(dòng)態(tài)特性分析正成為保證設(shè)備安全、高效、經(jīng)濟(jì)的主要手段[2-3]。

機(jī)架作為帶式輸送機(jī)的重要部件，對(duì)帶式輸送機(jī)起著支撐作用，其重要作用決定了它對(duì)設(shè)備整體動(dòng)態(tài)特性的影響更加突出。傳統(tǒng)的靜態(tài)分析方法是在靜力學(xué)基礎(chǔ)上按靜止或勻速運(yùn)行狀態(tài)對(duì)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行受力分析，致使機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響被忽略了。實(shí)際上，由于現(xiàn)在研究的帶式輸送機(jī)都是長(zhǎng)距離、大運(yùn)量的，這就使機(jī)架對(duì)帶式輸送機(jī)的影響不容小覷。當(dāng)機(jī)架的振動(dòng)頻率與輸送帶的自振頻率相等時(shí)，會(huì)使輸送帶發(fā)生共振現(xiàn)象，使輸送帶內(nèi)受到很大的動(dòng)張力，對(duì)帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行都產(chǎn)生了不良影響。因此要真實(shí)、有效反映輸送機(jī)的整體性能，必須研究機(jī)架的動(dòng)態(tài)特性。目前國(guó)內(nèi)對(duì)輸送帶、托輥和拉緊裝置的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能研究得比較多且比較成熟，而對(duì)整體機(jī)架研究的比較少。

1建立有限元模型

帶式輸送機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)主要有工字鋼、槽鋼和薄板組成，在建立帶式輸送機(jī)機(jī)架有限元模型時(shí)，在保證計(jì)算單元與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的情況下，為了力求計(jì)算方便并使計(jì)算結(jié)果可靠，要對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)架進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化[4]。在建立帶式輸送機(jī)機(jī)架有限元模型時(shí)，去掉了一些欄桿、加強(qiáng)筋和一些影響較小的結(jié)構(gòu)特征(如倒圓角、定位孔等)。結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)完全依照實(shí)際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，所采用的主要單元類型有SOLID92和BEAM188。這里需要說(shuō)明的是為了使得研究結(jié)果準(zhǔn)確可靠，本文原本欲分別采用SOLID92(實(shí)體單元)和BEAM188(梁?jiǎn)卧?兩種單元在對(duì)帶式輸送機(jī)采用兩種方式分別進(jìn)行建模分析。但在實(shí)際的模擬仿真中發(fā)現(xiàn)，由于用實(shí)體單元建立的模型過(guò)于巨大，其計(jì)算所占用的CPU運(yùn)算量和內(nèi)存大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)一般電腦的承受能力，而且由于模型太大，導(dǎo)致原本一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算結(jié)果變得不準(zhǔn)確，所以最后只能采用BEAM188單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

網(wǎng)格劃分對(duì)于有限元分析有著重要的作用，正確的網(wǎng)格劃分不僅可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，往往是求解成功的鑰匙[5]。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)架的材質(zhì)選用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼，牌號(hào)為Q235，其主要參數(shù)有：質(zhì)量密度為ρ=7850kg/m3，彈性模量E=2.06e+11Pa，屈服強(qiáng)度σs=235MPa，泊松比μ=0.305，最后得用梁?jiǎn)卧?BEAM188)建立帶式輸送機(jī)機(jī)架的有限元模型。

2設(shè)定邊界條件

邊界條件的確定對(duì)之后帶式輸送機(jī)機(jī)架有限元分析的結(jié)果有著重要的影響。根據(jù)實(shí)際情況，機(jī)頭架和機(jī)尾架底部與門式支腿的底部均放在地面上，故將這些進(jìn)行固定全約束，設(shè)定所有自由度為零，即All DOF=0 。

3對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析

模態(tài)分析是對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和固有特性如固有頻率、阻尼比和振型等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析的過(guò)程。振動(dòng)模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性，與外部載荷無(wú)關(guān)，根據(jù)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究可知，在眾多階模態(tài)中，系統(tǒng)的薄弱模態(tài)一般是低階模態(tài)[6]。因此，本文只對(duì)水平帶式輸送機(jī)整體機(jī)架的前6階模態(tài)進(jìn)行仿真分析，得出了機(jī)架結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率、最大位移值和振型圖。

在以BEAM188(梁?jiǎn)卧?建立的長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī)整體機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，分為兩種情況來(lái)分析，一是不考慮托輥、滾筒、輸送帶和輸送物料重量的情況下來(lái)進(jìn)行模態(tài)分析，另外一種是考慮托輥、滾筒、輸送帶和輸送物料重量的情況下來(lái)進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析所得出的機(jī)架結(jié)構(gòu)6階固有頻率值、最大位移值如表1所示，而兩種情況下的振型圖基本類似，故以第二種情況為代表列出前6階振型圖，分別如圖1、2、3、4、5、6所示。各階振型圖中，a點(diǎn)為最小位移值處， b點(diǎn)為最大位移值處。

表1　機(jī)架前六階固有頻率和最大位移值

圖1　1階振型圖

圖2　2階振型圖

圖3　3階振型圖

圖4　4階振型圖

圖5　5階振型圖

圖6　6階振型圖

4模態(tài)計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)振型圖我們可以看出在考慮托輥、滾筒、輸送帶和輸送物料重量的情況下，帶式輸送機(jī)機(jī)架在1階固有頻率(0.357 1Hz)下主要表現(xiàn)為側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，從頭部到尾部彎曲逐漸加大；在2階固有頻率(0.524 36Hz)下帶式輸送機(jī)機(jī)架變形以縱向變形為主，其中以頭部和中間架變形比較大；在3階固有頻率(0.547 09Hz)下輸送機(jī)機(jī)架變形主要以縱向變形為主，變形情況從頭部到尾部彎曲逐漸增大；在4階固有頻率(0.755 13Hz)下輸送機(jī)機(jī)架變形側(cè)向和縱向變形都比較明顯；在5階固有頻率(0.823 69Hz)下輸送機(jī)機(jī)架變形主要以縱向變形為主并有輕微的扭轉(zhuǎn)變形；在6階固有頻率(0.892 34Hz)下輸送機(jī)機(jī)架主要以縱向變形為主，在整個(gè)機(jī)架都表現(xiàn)出變形情況。

不考慮托輥、滾筒、輸送帶和輸送物料重量的情況下帶式輸送機(jī)機(jī)架變形與考慮了這些部件的機(jī)架變形基本類似，只是在5階固有頻率(0.958 28Hz)下不考慮上述部件的帶式輸送機(jī)機(jī)架的變形主要以扭轉(zhuǎn)變形為主，在6階固有頻率(0.988 76Hz)下輸送機(jī)機(jī)架的變形縱向變形和扭轉(zhuǎn)變形都較為明顯。

5結(jié)論

本文通過(guò)模態(tài)分析理論運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)長(zhǎng)距離、大運(yùn)量水平帶式輸送機(jī)機(jī)架建立了有限元模型, 并仿真分析研究了帶式輸送機(jī)機(jī)架前6階的固有頻率和振型圖。通過(guò)分析可以得出如下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)水平帶式輸送機(jī)機(jī)架振型圖的分析，帶式輸送機(jī)機(jī)尾架比機(jī)頭架的變形大，故在設(shè)計(jì)輸送機(jī)機(jī)架時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)帶式輸送機(jī)機(jī)尾架的設(shè)計(jì)，加強(qiáng)機(jī)尾架的剛度。

(2)通過(guò)對(duì)第4、5、6后三階振型圖的分析，可以得出帶式輸送機(jī)機(jī)架的變形主要表現(xiàn)為中間架的變形，所以通過(guò)對(duì)中間架的改變，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整體機(jī)架的優(yōu)化, 為以后帶式輸送機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

(3)根據(jù)第一種情況和第二種情況的對(duì)比，第二種情況也就是在考慮托輥、滾筒、輸送帶和輸送物料重量的情況下，固有頻率和最大變形量都相對(duì)減少了，說(shuō)明在剛度變化情況較小的情況下結(jié)構(gòu)質(zhì)量增大，固有頻率和最大變形量都有所降低。

(責(zé)任編輯呂春紅)

參考文獻(xiàn):

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[6]林忠欽.車身覆蓋件沖壓成形仿真[M] .北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Modal Analysis on the Frame of a Belt Conveyor Based on ANSYS

LI Qian, et al

(Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Department

of Automotive Engineering,Xinxiang 453000,China)

Abstract:It's easy to have a resonance when the vibration frequency of the belt is in closed to the frequency of the frame in the same belt conveyor, which also affects the whole performance of the belt conveyor. Based on the conveyor frame of a belt conveyor of long distance and large capacity, the modal analysis of the conveyor frame has been completed by the finite element analysis software ANSYS in this paper. Through the analysis get the first six natural frequency and mode shape charts of the belt conveyor and obtain the frequency values?in which the belt conveyor is easy to have a resonance. This project provides an important theoretical basis for the optimization design?of the belt conveyor.

Key word: belt conveyor; frame; modal analysis; ANSYS