切书机基础件的有限元分析.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 现代制造工程2006年第8期设备设计/诊断维修/再制造 切书机基础件的有限元分析 3 易立新,王民,李俊勤,李小富,费仁元 (北京工业大学北京市先进制造技术重点实验室,北京100022) 摘要 国产切书机在设计过程中,很少考虑切书机基础件的动态性能。当国产切书机在高速运转时,振动急剧加大,严 重影响加工质量和工作效率。利用ANSYS有限元分析软件,对切书机基础件进行模态分析,根据基础件的振型,对基础 件结构进行改进,并对改进前后的结构进行谐响应分析,证明改进效果比较明显。 关键词:切书机 基础件 ANSYS 模态分析 谐响应分析 中图分类号:O242; TH16 文献标识码:A 文章编号: 16713133(2006) 08009203 Fin ite element analysis of basic structure of cutting2book machine YiLixin,WangMin,Li Junqin,Li Xiaofu, Fei Renyuan (Beijing University of Technology,Beijing 100022, CHN) Abstract During the process of designing, dynamic feature of basic structure of cutting2book machine designed in China is less taken consider . When itworks in high2speed, its vibration grows greatly,which results in productsof bad quality . Based onANSYS software, the model analysis of cutting2book machine is done. The natural frequencies and the modes of basic structure of cutting2 book machine are analyzed. According to figure of structure in vibration, its structure ismended. And harmonic response analysis of structure of both original basic structure and basic structure mended is respectively done and the result is satisfactory . Key words:Cutting2book machine Basic structure ANSYS Model analysis Har monic response analysis 国产切书机在低速运转时稳定性好,切书质量良 好,但若要提高主机运转速度,机器将因高速而引起 系统振动,直接影响切书质量。因此,提高机械的抗 振特性,将是提高生产效率和产品质量的一项重要的 研究课题。 本文应用ANSYS对切书机进行模态分析,计算出 其固有频率和振型,找出基础件原始设计方案中的薄 弱环节,提出相应的结构改进建议和局部强化措施, 并对改进前后的结构进行谐响应分析。 1 模态分析的动力学理论 模态分析的基本思想是把一个复杂的结构按其 结构的特点分成若干个子结构,然后用离散法和有限 元法对子结构作各种力学分析。对一个具有连续质 量的结构用有限元法进行模态分析时,先将该结构离 散为有限个单元组成的模型,求出单元刚度矩阵 K 和单元质量矩阵,按照节点自由度序号对号,对各单 元的刚度矩阵和质量矩阵进行组集,得到总刚度矩阵 和总质量矩阵M ,对于线性动力系统的小阻尼结 构,可以采用复合阻尼C ,得出结构的振动微分方程 (动力方程 ) : M q +C ?q+K q= F ( t) 式中: q 为加速度向量; ?q为速度向量; q为节点 位移向量; F ( t) 为整体载荷向量。 因为要对结构进行模态分析,要求解的是固有频 率和振型参数固有模态与外载荷无关,结构阻尼对固 有频率的影响很小,在求结构固有频率和振型时,可 以不考虑阻尼,上式则简化为无阻尼自由振动方程: (- 2 iM +K) q=0 式中:i为自由振动固有频率;展开此行列式,得到一 个关于 2 i的 n次多项式,多项式的根(特征值)即为 模型的固有频率,将特征值代入公式,就可求出特征 向量,从而获得给定频率下的振型。 固有频率和振型是承受动态载荷结构设计中的 重要参数。 29 3北京市先进制造技术重点实验室开放项目 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程2006年第8期 2 切书机基础件的模态分析 211 三面切书机基础件的建模 在用ANSYS做动力学有限元分析时,由于要求的 是整个结构的各阶固有频率和振型。这是从整体的 角度来研究问题,而结构上的一些细节问题是可以适 当忽略的。并且,由于切书机结构比较复杂,除了忽 略一些结构上的细节外,在建模时,把模型分为五个 部分分别绘制,包括左、 右、 前、 后、 底部,最后再组合 起来。 212 边界条件 基础件底部的四个角用高强度螺栓固定在底座 上,故基础件底部的四个角看成全方位约束(包括X、 图1 基础件第一阶振型 图2 基础件第四阶振型 图3 基础件第六阶振型 图4 基础件第八阶振型 Y、Z及三 个 旋转方 向)。 213 模态分析的计 算结果 通过ANSYS的模 态分析,基础件的固 有频率如表1所示, 部分振型如图1至图 4所示。 刀架的支撑杆是 由偏心凸轮驱动的, 支撑杆沿着固定的基 础件上的支撑架的滑 动轨道做沿Y轴往复 运动。由于传动部分 和支撑架都安装在基 础件上,当切书机高 速运转,偏心凸轮引 起的激励力的频率及 其谐波频率与基础件 某阶固有频率接近或 相等时,基础件产生 剧烈振动,从而带动 整个机器振动。 要 提 高 加 工 质 量、 增加效率,必须提 高基 础 件 的 抗 振 性 能。当基础件以第一 阶固有频率振动时, 基础件带动支撑杆和 刀架沿X轴左右摆 动,这将会导致刀架定位不准确。同时也会加剧支撑 杆与支撑架滑动轨道的摩擦,增加振动和噪声。 中间梁上安装纸的传输机构,纸传输机构的振动 太大,导致纸张卡位不准确,因此减小中间梁的振动 对提高加工质量也具有重要意义,同时提高中间梁的 刚度对基础件整体刚度有重要意义。 为了减少基础件沿X轴方向的振动和机架整体 的扭动,对基础件进行了两处修改。第一,在机器左 侧内部距离前端200mm处,加一个竖直向上、 长度为 500mm的加强筋。在机器右侧内板内侧相对于左侧 的位置,增加一加强筋。第二,在机器左右两侧后部 中间梁加一个宽为38mm,高为30mm,长度为68mm 的矩形筋。第三,为了提高中间梁的抗振性能,在机 器前部中间梁下部左、 右两端,各加一个沿着Z轴方 向、 边长为30mm的等腰三角形。 表1 基础件固有频率及振型描述 阶次固有频率振 型 描 述 19419一阶振型为机器沿X方向左右摆动 217816二阶振型为后梁沿Z方向前后摆动 320619三阶振型为机器前后梁绕Y轴中间处扭转 422313 四阶振型为机器中间梁前部绕中间梁底部X方 向扭转 528516五阶振型为前后梁沿X方向左右摆动 629912六阶振型为中间梁后部绕中间梁底部X轴扭转 734212七阶振型为中间梁后部绕X方向扭转 835716八阶振型为前后左右四面向中间靠拢 938516九阶振型主要为切书机前部梁前后摆动 1043018十阶振型主要为整体弯扭复合模态 214 基础件改进后模态分析的结果 切书机基础件结构改进后,利用ANSYS进行模态 分析。改进前后基础件的固有频率如表2所示。 表2 改进前后的固有频率 阶次12345678910 改前的 固有频率 9419178162061922313285162991234212357163851643018 改后的 固有频率 9514179112051322813280143011834510358103841942313 3 切书机基础件的谐响应分析 谐响应分析是用于确定线性结构随时间按正弦 (简谐)规律变化的载荷在稳态响应时的一种技术。 分析的目的是计算出结构在规定的频率内的响应并 得到一些响应值(通常是位移)对频率的曲线。为了 解修改前后基础件振动的变化情况,对切书机基础件 39 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 现代制造工程2006年第8期设备设计/诊断维修/再制造 进行谐响应分析,选取对切书影响较大的四个点。其 中有两个点是支撑刀架的地方,另外两个点选在左右 两侧切书机上部中间处(如图5、 图6所示)。在AN2 SYS中谐响应分析有三种方法, Full法、Reduced法、 Mode superposition法。由于切书机基础件结构比较复 杂,采用Mode superposition法比较适宜,因此,使用 Mode superposition法对切书机基础件进行谐响应分 析。 切书机最主要载荷是在切书的过程中,由凸轮带 图5 谐响应分析测点图 图6 谐响应分析施加的载荷 动刀 架 引 起 的。因 此,把载荷加在安装 凸轮轴的孔心位置, 加载荷方向如图6所 示。选择四个点做谐 响应分析,以验证改 进后 结 构 的 动 态 特 性。第一点是基础件 与刀架连杆连接处, 第二点是基础件横梁 的中间点,第三点是 横梁的右侧点,第四 点是基础件与刀架连 杆连接处另一侧与第 一点相对应的点。 图7是第一点X方向修改前后的谐响应图。从 图中可以看出,在接近360Hz处(第八阶固有频率 ) , 出现振动峰值点,经过改进后,最大振幅明显下降(下 降近30% )。在95Hz处(第一阶固有频率)的振幅也 有小幅下降。 图7 第一点X向改进前后谐响应 图8是第四点X方向的谐响应图,第四点与第一 点的位置是相对的,都是在机器的上部中间处,只是 一左一右。但是因为机器结构左右两侧不平衡,所以 两侧都进行测量。同第一点一样,峰值振幅出现在接 近360Hz处(第八阶固有频率 ) , 改进后的振幅下降近 20%。 切书机基础件第二点Z方向的位移最大峰值出 现在220Hz处(第四阶固有频率)。第四点Z方向 300Hz(第六阶固有频率)和360Hz(第八阶固有频率) 的振幅较大,经过改进后,基础件在这两点Z方向的 振幅均有较大的下降。第二点的幅值下降16% (见图 9) 。第三点Z方向在300Hz(第六阶固有频率)的幅 值下降24%。在360Hz(第八阶固有频率)处的幅值 下降约50 % ( 见图10)。 图8 第四点X向改进前后谐响应 图9 第二点Z向改进前后谐响应 图10 第三点Z向改进前后谐响应 4 结语 本文利用ANSYS对切书机基础件进行模态分析, 计算出基础件的固有频率和振型。根据基础件