基于ANSYS workbench的上料機(jī)十字軸模態(tài)分析

任有志 趙佳興

摘 要：利用SolidWorks對(duì)長(zhǎng)軸進(jìn)行建模裝配，導(dǎo)入ANSYS中先進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到長(zhǎng)軸的強(qiáng)度和剛度特性，然后進(jìn)行模態(tài)分析，得到長(zhǎng)軸的前六階固有頻率及相應(yīng)的變形云圖，從而為長(zhǎng)軸的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)以及為電機(jī)運(yùn)行頻率提供參考。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析;SolidWorks;十字軸;有限元

中圖分類號(hào)：TH122文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

振動(dòng)是一種常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，由于振動(dòng)而引發(fā)的共振、疲勞破壞等會(huì)嚴(yán)重危害機(jī)器的使用壽命以及安全性。模態(tài)分析用于振動(dòng)測(cè)量以及動(dòng)力學(xué)分析，其測(cè)得的固有頻率、模態(tài)振型等參數(shù)對(duì)于機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全有極其重大的意義。

自動(dòng)送料機(jī)是一種自動(dòng)化的材料輸送設(shè)備，相比較傳統(tǒng)送料機(jī)操作更加的簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度更高，而實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動(dòng)化將大大提高生產(chǎn)效率，減少成本，減少事故的發(fā)生。

兩手臂間距為三米，傳動(dòng)軸整軸加工成本高，而且難以保證精度，為降低成本，將整軸改為十字軸結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1 靜力分析

上料機(jī)的危險(xiǎn)位置是手臂與水平方向平行，此時(shí)上料機(jī)所受重力矩最大，十字軸所受阻力矩最大，上料機(jī)最大上料重量為150KG，此時(shí)阻力矩為150N·M，將模型存為IGS格式后導(dǎo)入ansys中，設(shè)置材料為45鋼，其材料參數(shù)如下表1。

劃分網(wǎng)格時(shí)選擇的ansys默認(rèn)四面體網(wǎng)格劃分，指定尺寸為3mm，最后劃分得到單元124912個(gè)，節(jié)點(diǎn)35442個(gè)。

在十字軸的兩端施加兩個(gè)固定約束，在鏈輪軸處施加扭矩2160N·M，手臂軸處施加扭矩750N·M，求解可得十字軸的變形圖及最大應(yīng)力圖如圖2-3所示。

十字軸的最大變形為0.4255mm，發(fā)生在十字軸方塊連接以及鏈輪軸軸肩處，最大應(yīng)力為129.98MPa，小于45鋼的最大屈服應(yīng)力355MPa，結(jié)構(gòu)安全。

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析理論

在一般運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)力學(xué)通用運(yùn)動(dòng)方程：

2.2 模態(tài)分析

在靜力分析項(xiàng)目中，郵寄[Solution]單元，從彈出的菜單中選擇[TransferData to New]-[Modal]，創(chuàng)建模態(tài)分析模塊，并且實(shí)現(xiàn)了與靜力分析模塊的數(shù)據(jù)共享。指定模態(tài)提取方法為 Blocklanczos，設(shè)定模態(tài)提取階數(shù)為6，即分析十字軸前6階固有頻率。十字軸前六階頻率表2，圖4-9表示其前6階固有頻率對(duì)應(yīng)的振型圖。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)SolidWorks與ansys的聯(lián)合仿真，分析了上料機(jī)在危險(xiǎn)工位處的十字軸的最大變形量與最大應(yīng)力，驗(yàn)證其安全性。

（2）通過(guò)模態(tài)分析得到其前六階固有頻率，在電機(jī)根據(jù)PWM原理調(diào)速時(shí)能夠避開(kāi)這些頻率，避免發(fā)生共振，破壞機(jī)器。

（3）通過(guò)模態(tài)分析能夠直觀的看出十字軸各階固有特性，為以后的優(yōu)化合理改進(jìn)提供了重要參數(shù)，節(jié)省試驗(yàn)成本和時(shí)間。

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