基于SolidWorks和Workbench的壓縮機(jī)連桿分析

王 磊

(河南省中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 濮陽 457004)

連桿是壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要組成部件,在運(yùn)動(dòng)中承受著交變應(yīng)力,往往會(huì)造成連桿斷裂和破壞,是易損部件。如果連桿截面太小質(zhì)量過輕，就不能滿足運(yùn)動(dòng)過程中承受拉、壓交變力載荷的強(qiáng)度要求；如果連桿截面太大體積笨重，一方面會(huì)導(dǎo)致材料的浪費(fèi)，另一方面還會(huì)引起曲軸平衡質(zhì)量的加重，給壓縮機(jī)的動(dòng)平衡問題帶來很大困難，從而引起壓縮機(jī)機(jī)械噪聲變大[1]。因此，連桿的設(shè)計(jì)有必要考慮其振動(dòng)，對(duì)其模態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析也尤為重要。本文使用通用型有限元軟件workbench對(duì)某壓縮機(jī)連桿進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出其固有頻率和振型。為了減輕重復(fù)建模節(jié)約繪圖時(shí)間，本文利用Visual Basic 6.0語言作為開發(fā)工具對(duì)Solidworks進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化模型達(dá)到快速建模的目的。

1 二次開發(fā)簡(jiǎn)述

SolidWorks內(nèi)提供的API函數(shù)可用于二次開發(fā)，Visual Basic不僅具有可視化的設(shè)計(jì)界面，還可以對(duì)API函數(shù)進(jìn)行調(diào)用[2]，本文通過VB語言程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的三維模型。

1.1 程序界面簡(jiǎn)介

在VB語言程序中建立如圖1所示的用戶界面，按照?qǐng)D示在輸入?yún)?shù)部分輸入相應(yīng)的數(shù)值，檢查無誤后，就可以使用"建模"按鈕建立該連桿模型，如圖2。

圖1 連桿參數(shù)化設(shè)計(jì)界面

圖2 連桿模型

1.2 關(guān)鍵代碼

1.2.1 定義變量并獲得界面輸入值

Dim D1 As Double

……

Dim H2 As Double

D1 = TextBox1.Text

……

H2 = TextBox13.Text

1.2.2 添加引用與SolidWorks互聯(lián)

在VS界面中選擇【項(xiàng)目】，選擇【添加引用】，添加【SldWorks2016 Type Library】.

Dim swApp As SldWorks.SldWorks

Dim Part As SldWorks.ModelDoc2

Dim Featmgr As SldWorks.FeatureManager

swApp = CreateObject("SldWorks.Application")

Part = swApp.ActiveDoc

1.2.3 部分建模程序代碼

Dim skSegment As Object

skSegment = Part.SketchManager.CreateCircle(-L1 / 2000,0,0,-L1 / 2000 + D2 / 2000,0,0) '草繪第1個(gè)圓

Dim myFeature As Object '拉伸第1個(gè)圓

myFeature = Part.FeatureManager.FeatureExtrusion2(True,False,False,6,0,H1 / 1000,0.001,False,False,False,False,0.001,0.001,False,False,False,False,True,True,True,0,0,False)

……

myFeature = Part.FeatureManager.FeatureFillet3(3,R2/1000,0,0,0,0,0,(radiiArray4),(dist2Array4),(conicRhosArray4),(setBackArray4),(pointArray4),(pointDist2Array4),(pointRhoArray4)) '倒圓角

2 模態(tài)分析

2.1 振動(dòng)理論基礎(chǔ)

根據(jù)振動(dòng)力學(xué)知識(shí)[3]可知，對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行振動(dòng)計(jì)算方程為：

由于連桿結(jié)構(gòu)小，又是在密閉空間中運(yùn)動(dòng)，故該結(jié)構(gòu)阻尼較小，在忽略不計(jì)的情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型影響較小，因此可用無阻尼自由振動(dòng)方程:

當(dāng)[F]=0時(shí)，無阻尼自由振動(dòng)方程是二階常系數(shù)齊次線性微分方程，通過變換進(jìn)行求解，可以得到固有頻率ω的2n次代數(shù)方程式：

ω2n+a1ω2(n-1)+…+an-2ω2+an=0

2.2 計(jì)算模型

將Solidworks建造的模型以xt格式保存，使用有限元分析軟ANSYS Workbench打開上述模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]，如圖3所示。

連桿在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，若與外界的激勵(lì)頻率相近，連桿將會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，產(chǎn)生共振，這種情況下長(zhǎng)期不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)必定出現(xiàn)安全事故。為了避免發(fā)生共振，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮連桿的固有頻率，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。運(yùn)用ANSYS Workbench 進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算得到前三階的固有頻率和振型，如圖4～9所示。

圖3 劃分網(wǎng)格模型

圖4 一階模態(tài)

圖5 二階模態(tài)

圖6 三階模態(tài)

圖7 四階模態(tài)

圖8 五階模態(tài)

圖9 六階模態(tài)

3 結(jié)論

本文講解了SolidWorks二次開發(fā)連桿的過程，在Workbench的基礎(chǔ)上對(duì)連桿模型進(jìn)行模態(tài)分析。通過二次開軟件，不僅實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，還大大提高了建模修改模型的效率，節(jié)約了時(shí)間。通過模態(tài)分析，計(jì)算出了連桿的固有頻率，取得了連桿在運(yùn)動(dòng)中的前六階模態(tài)形變，為連桿結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。