（机械制造及其自动化专业论文）基于ansys的减振镗杆动态特性参数化分析.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着现代社会市场竞争的日益激烈，对机械结构的柔性化以及零件精度的要求越来 越高，特别是在细长孔的加工过程中。当采用镗削方式进行细长孔的加工时，由于其加 工环节的特殊性，造成了镗杆的刚度达不到要求。通常当镗杆的长径比大于4 时，镗杆 就会由于刚度不够而在加工过程中发生振动，这必然会影响加工质量。因此，如何解决 镗削过程中的振动问题就成为一个十分具有现实意义的课题。 对于镗削过程振动的研究，使用传统的方法难以建立精确的系统动力学方程。本课 题采用了有限元分析方法，借助市场主流的大型通用有限元分析软件a n s y s 来进行分析。 主要对减振镗杆进行动力学仿真，研究了减振镗杆的动力学特性；其次对影响减振镗杆 振动的相关因素进行参数优化分析，得到了最佳减振效果。最后分析了切削参数对减振 镗杆减振性能的影响。 在本课题的研究中，借鉴了国外先进的镗杆减振技术，设计了具有内冷却管的内置 式动力减振镗杆。在进行减振镗杆的动力学分析时，首先使用机械振动理论的相关知识， 计算出减振系统中各参数的初始值；然后再使用有限元分析软件a n s y s 对其进行动力学 仿真分析( 模态分析及谐响应分析) ，得到减振镗杆的动态特性参数。同时，对影响减 振性能比较大的因素进行了参数化分析。在此基础上以刀尖的径向跳动量为目标函数对 减振镗杆进行优化仿真分析，得出了减振系统的最优参数值。最后，在不同切削参数情 况下，使用优化参数对减振镗杆进行了相应的分析，得到了刀尖径向跳动量随切削参数 的变化规律，同时对相同长径比优化前减振镗杆以及实心镗杆作了相应的分析。通过三 种镗杆的对比分析可知，优化后减振镗杆的减振效果最好，优化参数可以为减振镗杆在 实际应用中提供一个参考。 通过本文的分析及其得到的结果，为内置式动力减振镗杆的设计提供了一个依据， 对内置式动力减振镗杆的研发具有重要的指导意义。这样在提高产品的性能、缩短研发 的时间的同时也能减少产品的开发费用，减少材料的浪费。 关键词：减振镗杆；动力学分析；参数化分析；切削参数 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 a b s t r a c t w i t hm ei i l c r c 勰i i l g l yf i e r c em a r k e t c o r n p e t i t i o ni i lm o d e n ls o c i e 够，t l l e1 1 i 曲e rd e m 锄df o r 也ef l e x i b i l i t ) ，o fm c c h a l l i c a ls _ n u c t u r e 锄de f f i c i 肌c yi sp u tf o n a r d ，e s p e c i a l l yi l lt h ep r o c e s so f t e m l o u sh o l e w h e nb o r i n g0 p e r a t i o n sa r ei 玛e dt 0m a c m 血l gt l l i sl 【i i l do fh o l e s ，b e c a u s eo ft l l e s p e c i f i c i t yo fi t sp r o c e s s i l l gs e c t 0 塔，r c 跚l t i n gi i lt l l e 鲥f m e s sf i l i l st 0m e e t 廿l er e q u i r e m 朗t so f t l l eb o 咖gb 盯u 叭a l l yw h e nt l l el e l l g t l l - d i 锄e t e rr a t i oo f 也eb o 血gb a ri sm o r et h 觚f o u rt i i i l 骼， m e 诵b r a t i o ni i ln l ep 眦懿s i i l go ft l l eb o 血gb 缸w i l lp r o d u c ef 0 rt h e1 a c k0 fs t i 锄e s s ，t l l e m a c l l i 】 1 i n gq u a l 时w i l lb ea f f e c t e d s oh o wt 0s o l v et l l ep r o b l e mi sb e c 伽 1 i n gav e 巧r e a l i s t i c 叫e c t t ot 1 1 er e a r c ho f 、r i b r a t i o ni nb o r i n g ，锄a c c u r a t es y s t e md ) r i l a n l i c a le q u a t i o nc 锄n o tb e 哪i l y l tw i mt l l e 仃a d i t i o n a lm 劬0 d n e f i l l i t ee l e i i l 咖锄a l y s i sm e t h o di su s 酣i 1 1t h j st o p i c w i 也也em 砒啮臼e 锄l a r g e - s c a l eg 髓e r a l - p m p o s ef i n j t ee l c 妇n e n t 锄m y s i ss 0 r w a r ea n s y s hi s m a i n l yt om a l ( ed 弘删cs i i i l u l 撕o no fm e 、，i b r a t i o na b s 0 巾t i o nb o 血g - b 盯锄d 咖d ym e d y n 枷cp r o p e n i e s ；t h e nm a k eap 猢既r i c 锄a l y s i st 0m er e l a t o df a c t 0 璐w 1 1 i c hi n n u a l c et h e v i b 枷o n 锄dm eb e s to fv i b r a t i o nr e d u c t i i s0 b t a m e d f i i l a l l y ，t h e 证n u 铋c eo f 吼m m g p 嬲衄e t e r st 0t h ed 觚l p i i l gp 耐0 册锄c ei sa n a l y s i s c d i nn l i sr 船e a r c kf o r c i g na d v a n c e dv i b r a 6 0 na b s o r p t i o nt c c l l i l o l o g yo fb o r i i 培b 盯i su s 咄 锄dt h eb u i l t i n d y i l a l i l i c 啊b 枷0 na b s 0 印t i b 0 帕唱b a rw i mc 0 0 l i i l gp i p e i s d e s i g n e d a n a j y z i i l gt 1 1 ed y n a i i l i cm o d e lo ft h ev i b r a t i o na ：b s o 印6 0 nb o r i n g - b a r 衄sp a p 盯 f i r s t l y0 b t a i n st h e “t i a lv a l u e0 fn l ev i b r a t i o nr e d u 嘶o ns y s t 锄p 撇e t e r sb 弱e d o n m c c h a i l i c 2 l l 啊b 枷0 nt h e 0 巧；锄dt 1 1 m a k 骼m ed ) r i l 砌cs i l i l u l a t i o n 锄a l y s i s ( m o d a l 锄a l y s i s a n dh 锄砌cr e s p o i 坞ea n a l y s i s ) b ys 0 r w a r ea n s y s 锄dg a i 璐n l ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c p 猢e t e r s m e 锄w m l e ，t h j sp a p c rm a l ( e sp 猢嘶c 觚a l y s i so f 廿l ef a c t o 璐w l l i c ha r em em o s t i n l p o r t a mt 0t h ev i b r a t i o ni l a t i o n a n d i tm a l 【e st h e0 p t 衄妇a t i o ns i i 肌l a 石o n 觚啦y s i so f 也e v i b r a t i a b 印t i o nb 0 血g - b 盯w i 也t l l em d i a lv i b m t i o n a lv a l u eo f 姬f ep 0 硫弱m eo 协e c d v e 胁c t i o 玛觚d 也eo p t i 曲z e dp 盯a m e t e r sa r eo b t a i n e d f i i l a l l y ，i tm a k e sp a r a m 吲ca n a l y s i so f n l eu b r a t i o na b s 0 印t i o nb o 血g - b 盯w i t l lt h eo p t 砌z c dp a 功m e t e 稻u n d e rt l l ed i m 。r e n t 吼i t t i n g p a m m e t e r sc 0 n d i t i o r 珞，锄dt h ec h a n g er e g u l a t i o n so f t l l eq 啪t i t yo f 砌i a lv i b 伯t i o no fm f c p o i i l t w i n l c h 锄g e s o ft l l e c 咖【i l l gp 盯锄酏贸a r eo b t a i l l e d ，柚d趾a l y z 豁m es 锄e l g t h - d i 锄c t e rr a t i o0 f t l i e0 p t m z a t i o nb o r i n g - b 盯觚dt i l e l i db o r i n g - b 盯b y 觚a l y z i n gm e t h r d i f r e r e n tb o r i n g b a r s ，t l l ev i b r a t i o n a _ b s o 叩t i o n e f f e c to ft l l e o p t i m i z e dv i b r a t i o n a b s o 印t i o nb o m g b 盯i st 1 1 eb e s t ，m eo p t i m 讫e dp 舭吼e t e 墙m e t l l o dc 蚰p r o v i d ear e f 旨锄c ef o r 也ev i b m t i o na b s o 印t i o nb o 血l g - b 缸i np m c t i c ma p p l i c a t i 眠 西华大学硕士学位论文 t h e 锄a l y s i sa n dm er e s u l t so fp 印e rp r 0 v i d e ar e f 抵ef o r 恤d e s i 萨o f t l l eb o 血g b 盯 w i mb 试l t - i nd y n a m i c 啊b r a t i a b s 0 巾t i o 玛a n d 也i sm a yb e 锄证i p o r t a n tg u i 妇ef - 0 r 也e r 鼯e 鲫出nc 趾呻r o v et 1 1 ep r o d u c tp e ：晌唧a n c e ，s h o r t 钮也et i m eo fr e s 伽r c h 觚da l s o 础c e m ec o s to f t l l ed e v e l o p m 僦o f t l l e 印d u t h ew a s l eo f m a t e r i a l k e yw o r d s ：n 坞v i b 枷0 na b s o l l p t i o nb o m g b a r ；d ) ，i l 枷ca n a l y s i s ；p 猢e t r i ca n a l y s i s ； c u t t i n g p a 豫m 曲。体 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题研究背景 当今社会，任何发达国家都具有强大的机械制造能力，机械制造的主导方法将仍是 金属切削加工。金属切削加工技术应用在各个领域，并且对产品的要求越来越高，特别 是对机械加工精度。在这种情况下，为了满足加工的各种要求，对其加工所采用的刀具 性能提出了更高的要求，体现最为明显的是当今的航空航天领域。而我国主要是通过从 一些发达国家中引进较先进的一些机械加工设备，从而来保证加工的要求，这样花费了 很大的代价。因此，在我国为了提高机械加工的质量以便能满足更高性能的要求，加工 刀具的开发是必不可少的一个环节。 在机械加工中，内孔的加工所占比例是比较大的，约占整个加工工作量的1 4 【1 1 。 而深孔的加工在内孔加工中又占有很大的比例，而深孔的加工一般采取的是镗削加工， 这就遇到了一个最常见的问题：在镗杆的长径比大时，镗杆的动刚度不够，造成加工过 程中振动的产生，从而不能满足被加工工件孔的要求。因此，解决加工过程中颤振问题 也就成为十分具有挑战性的课题，也得到了国内外专家学者的普遍关注。 一般情况下，在机械加工时当镗杆的长径比小于4 时不会产生影响加工质量的振动， 但当其长径比大于4 的时候，镗杆由于自身刚度的不足已经明显达不到加工要求。特别 是当镗杆的长径比超过1 0 的时候，镗杆在加工过程中发生的变形量将会是长径比为4 时发生的变形量的1 6 倍。为了达到加工的要求，一般采用材料去除率、提高镗杆静刚 度的方法或通过减少切削用量来降低切削力以减少镗杆变形量。但是，在实际的加工中， 这样将导致生产效率下降或受其他的一些局限性影响而无法实现，因此，这些方法往往 是不可取的。解决这个问题最根本的方法是找到消除振动的措施，动力减振镗杆的提出 就是为了能有效的解决这个问题【2 】。 为解决上面提出的问题，本文采取提高镗杆的动刚度的方法，建立了内置式动力减 振系统并安放于镗杆中，它可以实现较大长径比。通过减振装置，可以大大的提高表面 加工质量和工作效率，特别是在深孔加工中，也能在一定程度上提高深孔内表面质量。 1 2 减振镗杆国内外研究现状及发展趋势 减振刀杆的研究和发展是比较缓慢的。到目前，世界上只有少数的厂商能生产出性 价比较好的减振刀具。国外，日本的三菱公司和东芝公司已开发有了自己的系列化产品， 三菱公司( 刀杆的最大长径比为l d = 6 ) 的设计思想就是减轻刀具头部的重量，这种刀具 一般它的刀头和刀杆是整体的，刀片一般使用的为可转位刀片。为了改变刀具的性能 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 一般采取的措施是把刀杆的头部去除一部分从而制成特定的形状。图1 1 即为三菱公司 开发的减振镗杆1 1 。 图1 1 三菱公司减振镗杆示意图 f i g 1 1 t h es k e t c hm a po f m i t s u b i s h ic o i p o r 撕o n s 、，i b r a t i o na b s o 叩t i o nb o 血g - b 盯 东芝公司的镗杆( 刀杆的最大长径比为l d = 6 ) 是在刀杆的两边平行的去掉一部分， 然后用刚度和强度都比较大的材料填补在这两个地方。如图1 2 所荆。 图1 2 东芝公司减振镗杆示意图 f 嘻1 2 t h es k e t c hm a po f t o s h i b ac 0 r p o 嘶o n s 讪觚o na b s 唧d o nb o 血g b 盯 而瑞典s a n d v i k 公司的减振镗杆( 刀杆的最大长径比为l d = l6 ) 是目前最先进的减 振刀具，如图1 3 【l 】，它所采取的方法是给刀杆加内置减振系统，这种方法提高了刀体 的动刚度，但也有局限性。例如减振块的密度不可能无限大，同时阻尼器的寿命也使得 刀具的使用寿命减少。 西华大学硕士学位论文 图1 3s a n d v i k 公司减振镗杆示意图 f i g 1 3 t h es k e t c hm a po fs 龃d v 墩c o 驴r a t i o n s b r a t i o na b s o 巾t i o nb o 咖g - b a r 到目前为止，大长径比镗杆的减振研究主要是通过对振动的被动控制( 即在系统中 加入吸振部件) 来完成的，如瑞典s 锄d v 墩公司的减振镗杆。被动控制的方法很多，包括 应用新材料、动力减振、冲击减振、阻尼减振等方法【3 】。 ( 1 ) 动力减振的原理主要是利用减振质量块的动力作用，通过弹性元件作用到主 系统的力尽量与干扰力平衡从而来减弱振动【4 】。对于动力减振器，减振块的质量和阻尼 液的阻尼比要根据主系统所受的外界激励的频率来选择。 ( 2 ) 阻尼减振即通过增大系统的阻尼系数使振动的能量加速损耗，达到在振动过 程中振幅迅速衰减的目的，如h a h n 等曾使用把质量块放在靠近刀杆一端的空腔里，然 后注入油介质同时保证质量块和孔壁之间有一定的径向间隙与轴向间隙，通过介质来达 到减小振动。 ( 3 ) 冲击减振主要是利用物体相撞时可消耗能量的原理来进行设计的。如马建勋、 黎征等对冲击块式减振镗杆与镗杆变形量的研究，其原理主要是把镗杆靠近刀头的一端 做成空腔，在空腔内安装一个起冲击作用的自由质量，当镗杆受到激振力振动偏离平衡 位置，此时冲击块也会随镗杆一起向偏离平衡位置的方向运动，镗杆由于弹性力作用速 度逐渐变为零，而冲击块在惯性力作用下继续运动而与空腔壁发生碰撞而吸收振动能量 从而达到减振的效果。 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 目前，国内的减振刀具基本都还处于研究阶段，采用的方法都是增加刀体的静刚度， 如镍基重合金的防振刀具。但基本的减振措施都是从工艺上进行改进或者在加工的过程 中采用一定的技巧。如今，几乎所有的国内刀具厂商都没有在车刀和镗刀方面有较大的 进展，特别是在制造长径比比较大的镗刀方面基本没有，而且内置减振系统防振刀杆方 面的开发工作也还很少。 1 3 课题来源及课题研究内容与方法 1 3 1课题来源 本课题来源于国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项“高效可转位 刀具及超硬工具系列的研究及产业化”中的子课题“减振镗杆动态特性分析及其实验研 究”。 1 3 2 课题研究内容与方法 本课题针对实心镗杆在深孔加工中存在的问题，借鉴国外减振镗杆结构设计的成功 经验，采用具有冷却管的内置式动力减振系统来解决加工中存在的精度低与表面粗糙度 差问题。通过使用有限元分析软件a n s y s 中的动力学分析模块，对大长径比的减振镗 杆进行动力学分析，并对减振系统的主要参数( 弹簧刚度、减振块密度、阻尼系数) 进 行优化，同时也分析了多种切削参数对减振镗杆减振性能的影响，并对优化前后减振镗 杆及实心镗杆做了对比分析。本论文主要做了以下几个方面的内容： ( 1 ) 通过查阅国内外资料，确定减振镗杆结构形式，建立减振镗杆的动力学模型， 对系统的动力学特性进行定性理论分析。 ( 2 ) 应用3 d 斜角切削理论，建立减振镗杆的切削力模型，采用有限元方法进行 动力学分析，通过数值仿真技术分析了模型的减振效果。 ( 3 ) 基于动态仿真分析，建立减振镗杆的几何参数优化数学模型，主要对影响减 振效果比较大的三参数( 弹簧刚度、减振块密度、阻尼系数) 进行优化，最终得出其模 型的最优目标值( 本论文以刀尖的径向跳动量最小为优化目标) 。 ( 4 ) 使用优化后参数对减振镗杆进行了切削参数对减振性能的影响分析。同时也 对优化前减振镗杆以及实心镗杆进行了相应的分析，通过对比得到三种镗杆在相同切削 参数情况下的减振效果。 1 4 课题预期实现效果及意义 为了解决上面所提到的问题，本课题将虚拟样机技术应用到动力减振镗杆动力特性 的分析和结构参数的优化设计当中。使用有限元分析软件a n s y s 建立减振系统的动力 4 西华大学硕士学位论文 学模型，利用其动力学分析模块与优化分析模块，得到相应的动力学特性及在一定范围 内减振系统的最优参数。把该技术应用到动力减振镗杆的实际设计当中，即可在研究阶 段预测镗杆的动力学性能，对这些性能进行优化，同时通过多种切削参数的分析，为企 业提供一个参考，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的，最终达 到可以在实际加工中使用减振镗杆的目的。 5 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 2机械振动分析及a n s y s 动力学分析 2 1 机械振动分析 2 1 1 机械振动的产生 古往今来，振动现象一直伴随人们的生活，既给一些工程问题带来困扰甚至灾难， 但也常常被加以利用【5 1 。引起机械振动的原因较多，但最典型的原因主要有以下两点： ( 1 ) 机械运转的不平衡性嗍 机械运动一般可分为回转式机械运动和往复式机械运动两大类。机器在运转时要想 完全的平衡几乎是不可能的，因此在机器运转的过程中都存在着周期性的扰动力，一般 由机械的不平衡而引起的振动具有明显的规律性。 ( 2 ) 受到外界的激励载荷作用产生的振动【4 】 当个系统受到外界激励时，根据外界激励是否具有确定性，其所引起的振动又可 分为确定性振动和随机振动。 2 1 2 振动的分析方法【5 】 对于一些由机械元件组成的系统中，在研究系统的振动问题时，总是给系统施加一 个输入信号，观察和检测其输出信号，来分析系统的特性，常采用如图2 1 所示的框图 来表示。 激励( 输入) 二二= 响应( 输出) 二二= 图2 1 振动分析图 f i g 2 1t h e 嫩b 偈_ i ss k e t c ho fv i b 瑚畸 将系统的输入信号称为激励，把系统在激励作用下的动态行为即输出信号称为响 应。从上面的框图知道，对于振动问题的研究，可以归纳为以下三类： ( 1 )已知激励和系统求系统的响应。问题即为系统动力响应分析，又动态分析。 这是工程中最常见和最基本的问题。动力响应包括位移、速度、加速度、应力和应变等。 主要任务是为计算和校核机械结构的强度、刚度及允许的振动能量水平。本文的分析即 为这类动力响应分析。 6 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 已知激励和响应求系统。这类问题称为系统辨识，即求系统的数学模型及结 构参数。主要指系统的物理参数，以便了解系统的固有特性。 ( 3 ) 已知系统和响应求激励。这类问题称为环境预测。 2 1 3 振动系统力学模型与数学模型【5 】 在分析一个动态系统时，首先必须建立与实际系统接近的一种物理模型，称为力学 模型，然后根据力学模型建立数学模型来分析系统的动态特性。因此，力学模型的简化 至关重要，会大大的影响分析结果，所以我们建立的力学模型要尽量的反映实际系统。 而数学模型是对系统特性的数学表达式，是分析问题的关键，数学模型通常是用微分方 程来表达。 2 1 4 机械系统的常见振动类型【6 】 ( 1 ) 自由振动系统受到初始激振作用后，仅靠起本身的弹性恢复力“自由地” 振动，其振动的特性仅决定于系统本身的物理特性( 质量、刚度) 。 ( 2 ) 受迫振动又称为强迫振动，系统受到外界连续的激振力作用而“被迫地” 振动，其振动的特性不仅决定于系统本身的特性，同时也取决于激振力的特性； ( 3 )自激振动有的系统在输入和输出之间具有反馈特性，并有能源补充，从而 引起的一种振动。 2 1 5 振动控制原理及方法 我们知道，一些对机械系统不利的振动，必须要试图减小。对于自由振动，可以采 取对系统本身的物理特性进行分析，从而达到减小振动；而受迫振动因为是由周期性 变化的激振力所引起的，其振动频率等于激振力的频率( 或为激振力频率的倍数) ， 可根据振动频率找出振源，并采取适当的措施加以消除。主要途径包括：( 1 ) 减 少激振力；( 2 ) 调整振源频率；( 3 ) 提高工艺系统的刚度和阻尼；( 4 ) 采取隔 振措施；( 5 ) 采用减振装置【7 】。对于自激振动，如果是需要的，就要研究如何得 到所需频率，功率和波形的振动；如果是有害的，就要研究如何设法消除它。 对于镗杆镗削过程中产生的振动主要表现为自由振动，但是随着自由振动的 加剧，自激振动也会产生。根据上面的分析可知，这两种振动是无法自己消除的， 而且它们对加工过程会造成比较大的影响，因此有必要减小这两种振动所造成危 害。到目前为止，大长径比镗杆的减振研究主要是通过对振动的被动控制( 即在系统中 加入吸振部件) 来完成的。 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 2 2 a n s y s 动力分析【8 】 2 2 1 a n s y s 动力分析简介 现代社会，几乎所有的工程结构都面临着动力问题。在实际工程的结构设计工作中， 动力学设计和分析是不可缺少的一部分。通常动力分析的工作主要有系统的动力特性分 析( 即结构固有频率与振型的求解) ，和系统在受到一定载荷时的动力响应分析构成。 a n s y s 提供了非常强大的动力学分析工具，可以很方便地进行各类动力分析问题：模 态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析与谱分析。 ( 1 ) 模态分析。它用于确定设计的机构或是机器部件的振动特性( 固有频率与振 型) ，即结构的固有频率与振型，它们是结构设计中承受动载荷的基本参数。同时，它 也可以作为其他动力学分析问题的起点，如瞬态动力学分析、谐响应分析与谱分析。 a n s y s 的模态分析可以对有预应力结构进行模态分析与循环对称结构分析。在模态分 析中，只有线性行为是有效的。如果制定了非线性单元，将作为线性的来对待。材料性 质可以是线性或非线性的、各向同性或正交各向异性的、恒温的或和温度相关的。 ( 2 ) 谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦( 简谐) 规律变化的载荷时 稳态响应的一种求解技术。可以用瞬态动力学分析确定结构在静载荷，瞬态载荷与简谐 载荷随意的组合作用下随时间变化的位移，应变，应力及力。 ( 3 ) 瞬态动力学分析( 又称时间历程分析) 。用于确定承受任意随时间变化载荷 的结构的动力学响应。 2 2 2a n s y s 动力分析的基本步骤 动力分析的问题复杂多变，但具体到某一类问题时，求解的基本步骤是一致的。 ( 1 ) 对于模态分析主要步骤为：建模、加载和求解、扩展模态以及查看结果和后处 理。 建模：即有限元模型的建立。这步骤需要定义单元类型、单元实常数，网格划分等。 需要注意的是在模态分析中必须指定弹性模量e x ( 或某种形式的刚度) 和密度d e n s ( 或某 种形式的质量) ，而非线性特性将被忽略。 加载和求解：进入求解器指定分析类型与选项，然后在模型上施加载荷，最后进行 求解计算。 扩展模态：重新进入求解器，激活扩展模态开关。主要包括打开扩展开关、指定需 要扩展的模态数目、扩展的频率范围等。 查看结果和后处理：模态分析的结果包括固有频率、已扩展的振型等。其后处理一 般为读入子步，查看起对应的振型、变形图。 8 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 对于谐响应分析主要步骤为：建模、加载和求解、提取分析结果 建模：与模态分析相同。 加载和求解s 进入求解器指定分析类型与选项，然后在模型上施加载荷，最后进行 求解计算。这里需要注意的是在指定求解方法时，每种方法的步骤略有不同。 提取分析结果：谐响应分析的结果如节点位移、节点和单元应力、节点和单元应变、 单元力等在解所对应的强制频率处按照简谐规律变化。 2 3 本章小结 本章主要是对机械系统振动产生的原因及其振动分析方法进行了简介。同时介绍了 机械振动系统正确地建立力学模型与数学模型的重要性，以及系统的常见振动方式及其 控制方法。另外，对a n s y s 动力学分析进行了简单的介绍，着重介绍了模态分析及谐 响应分析的基本操作步骤。通过本章的介绍，为减振镗杆的后续的分析做下充分的准备 工作，特别是对振动分析部分。 9 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 3 减振镗杆结构设计及其力学模型的建立 3 1 减振镗杆结构设计 通过查阅大量的国内外资料，最终借鉴的是瑞典s a n d v i k 公司的内置式动力减振镗 杆的结构设计方案，其最大长径比( l d ) 达到了1 6 倍，减振效果比较好。我们所设计 的这种内置式动力减振镗杆的基本结构如下图3 1 所示： 1 一刀头；2 一刀片压钉：3 一刀头；4 销钉： 5 0 型圈：6 0 型圈； 7 一堵头：8 一冷却管；9 一减振质量块：1 0 橡胶支撑；l l 一橡胶垫： 1 2 - 转接头；1 3 镗刀杆 图3 1 减振镗杆的结构图 f i g 3 1 1 1 1 es 仇i c n 鹏m a po f v i b r a t i a b s o r p t i b o 咖g - b 盯 在图3 1 所示减振镗杆的结构中，我们选用的是总长为1 8 0 衄、直径为2 0 衄的镗 杆进行结构设计，长径比为9 。 减振镗杆内部安装的冷却管和减振块之间装上橡胶支撑，在减振系统中发挥弹性元 件的作用。同时冷却管和减振块之间、镗杆和减振块之间都充满阻尼液，即减振块被这 种特殊的液体所包围。由于橡胶支撑在径向的变形与负载之间具有非线性特性，因此在 实际的加工过程中如果镗杆产生振动，减振系统将立即发挥作用，镗杆的动能将被该减 振系统吸收，从而减小镗杆的振动。 3 2 刀头的设计与选材 本课题采用的刀头材料为g c r l 5 。g c r l 5 钢是一种合金含量较少、具有良好性能， 经过淬火加回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能。 l o 西华大学硕士学位论文 3 3 减振块的设计与选材 对于整个减振系统，减振块材料的选择非常关键，一般国外的减振镗杆都是选择密 度比较大的“重合金”。这是因为一般要求减振块的质量在可能的条件下尽量大，而减 振块在减振系统中被安放在直径比他大的孔内部，受镗杆杆体内孔的容积限制。为了达 到理想的减振效果，本文考虑选择高密度的硬质合金作为减振块的材料。具体材料的确 定需要在优化分析后。同时，减振块的安放位置应该是靠近刀头端。 3 4 阻尼器的设计 阻尼是动力学分析的一大特点，也是动力学分析中的一个易于引起困惑之处，因为 它只影响动力响应的衰减程度，出错以后不容易被分析者所觉察【”】。对于本文所设计的 阻尼器，它被安放在减振镗杆的内部，即冷却管和减振块之间、镗杆和减振块之间，减 振块只有被这种特殊的液体所包围才能起到减振作用，因此，阻尼器的选择则考虑为粘 度系数比较大的液体或固液混合物。根据本文的结构设计，由于冷却管和切屑的存在， 使得镗杆的内部温升不会太高，因此给我们选择阻尼材料带来了极大的方便。目前，很 多国外刀具选用的是硅油作为减振镗杆的阻尼材料，因为硅油是一种比较好的液体阻尼 材料。 在本文对减振镗杆的动态特性分析中，我们初步选择的是油状液体甲基硅油作为研 究材料。因为甲基硅油品种较多，运动粘度可调整范围较大，同时它的保存时间较长， 不容易挥发。而且它的颗粒大，不易泄漏，具有卓越的耐热性。被广泛应用于各个领 域，主要用作绝缘、润滑、防振、防尘油等。根据甲基硅油的这些特性，可见甲基 硅油对于减振镗杆阻尼器是一种很好的阻尼材料，完全可以用在减振镗杆中最为阻尼材 料。阻尼液阻尼系数的最终选取我们应根据最终优化分析后所求得的阻尼系数来选取。 由于阻尼的本质与表现比较复杂，a n s y s 里面对应的模型也多。它提供了强大的 阻尼输入方式，如比例阻尼、粘性阻尼、材料阻尼。在本文的分析中选择的是最后一种 阻尼方式，即材料阻尼输入方式，其最显著的特点是与结构响应频率无关。对于阻尼单 元，选择的弹簧阻尼单元c o m b i n l 4 单元模拟。 3 5 弹性支撑的设计 弹性支撑是减振系统设计中的一个重要部分，它的形状和大小以及材料的弹性模量 会直接影响到其弹性系数和物理性能。能起到减振效果的弹性支撑材料比较多，我们可 以根据实际减振的要求选用金属橡胶、橡胶、尼龙、以及其他有机物，他们各自有其材 料特性。 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 本文在进行有限元分析时，初步选取弹性支撑的材料为橡胶。之所以初步选择橡胶， 因为橡胶材料具有明显的高弹性，在外力作用下，很容易发生极大的变形，但除去外力 以后又很快的恢复原来的状态，这是橡胶区别于其他材料的最主要的特性。此外，橡胶 还具有极高的可挠性、耐磨性、耐腐蚀性。弹性支撑材料的最终选取我们应根据最终优 化分析后所求得的弹性元件的刚度系数来选取。 3 6 减振系统力学模型的建立 在分析机器或结构的振动特性时，我们应当抓住主要因素，略去次要因素，通过把 实际系统简化成典型的力学模型，是机械振动理论分析的第一步【4 】。对于本文的减振系 统，根据振动力学理论我们知道，这样的系统建立动力学方程极为不方便，所以对该系 统进行简化是非常必要的。通过对简化后的减振系统进行运动学微分方程的求解，可以 对系统的运动特性作定性的理论分析，然后利用分析得到的结果便可以求出在有限元分 析软件中所需的模型的初始输入参数( 即有效减振的理论值) ，从而为减振镗杆进行动 力学仿真分析打下理论理论基础。 3 6 1减振系统的简化力学模型 减振镗杆由刀头、刀杆和一个减振单元组成。在把实际的减振镗杆模型简化成典型 力学模型时，可以把系统整体上分为质量元件、弹性元件和阻尼元件三大块。最终减振 镗杆的模型简化为如图3 2 所示【1 4 】。 孤， 工】 岛中ct j 册l 音七。 图3 2 减振镗杆力学简化模型 f i g 3 2 n em o c h a n i c sm o d e lo f v m m t i a b 鲫嘶b o 血g b 盯 1 2 西华大学硕士学位论文 上图中：一镗杆杆体的集中质量； 所：一减振系统减振块的质量； 毛一镗杆杆体的等效刚度； 乞一弹性支撑的弹性系数； c 一阻尼元件的阻尼系数； f 一激振力幅值； w 一激振频率。 3 6 2 减振系统振动方程的建立与求解【6 1 质量单元1 的受力微分方程： ，啊篙+ c ( 毫一岛) + 如( 五一而) + 毛j c l = 凡删 质量单元2 的受力微分方程： 朋：镌一c ( 毫一岛) 一屯( j c l 一而) = 0 根据上面的运动微分方程求得主质量的相对振幅为： 蜀一 允 式中： ( z 2 一q 2 ) 2 + ( 2 缸z ) 2 【p z 2 q 2 一( 1 一z 2 ) ( q 2 一z 2 ) 2 + ( 2 缸z ) 2 ( 1 一z 2 一肛2 ) 2 蜀一主质量的振幅： 屯一主系统的静变位； ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 肛：堕一减振块与主系统的质量之比； ，l i 一减振系统阻尼比； z = 兰一外界激振频率与主系统固有频率之比： w o i q = 竺堕一减振器固有频率与主系统固有频率之比： w o i 根据上式( 3 3 ) ，以阻尼比为参变量，令q = l ，p = o 0 5 所作出的q “与z 的关 系曲线如图3 3 所示： 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 d i l l! !i i l 1 l l r 曩i 一f 。面 o 爿 ：f1 lh ，_ 0 1；j ) 口一 17 1 一r o - - 3 2 l - 心 1 1 j 2 7 7 rk l? ” l j ，l z ，i 、 i 一 、 7 i ri l 一p孓l 、 逵惑l l、 o ；l 夕。 i巳 l 、 1i r 己暑 l l 0 60 8 鼻t1 0投 1 2 2 图3 3蜀屯与z 的关系曲线图 f i g 3 3 1 1 1 ec u r v eo f 他l 撕b e t 、) l ，e 骂吒a n d z 由上图可知，不同阻尼比的所有曲线都经过p 、q 两点，也就是说这两点的位 置与阻尼无关。这一物理现象是我们设计有阻尼动力减振器的依据，我们为保证减振器 在整个频率范围内都有良好的减振效果，应该按照下面两式来选择最佳阻尼比岛和最 佳频率比q 印。 岛= ( 3 4 ) q ：l ( 3 5 ) 2 而 u 内 在系统选择最佳参数的情况下，振动系统在整个频域内的最大相对振幅为： 随= 污 ( 3 6 ) 由上式( 3 6 ) 可以看出，增大减振块与主系统的质量比p ，即可使主系统的振幅墨 减小，减振效果得到相应的提高。 1 4 西华大学硕士学位论文 3 7 本章小结 本章通过借鉴瑞典s 锄d v i k 公司的内置式动力减振镗杆的结构对减振镗杆进行了初 步的结构设计。在得到减振镗杆的结构后，对减振系统中的三大主要元件进行了设计， 即阻尼器的设计，弹性支撑的设计以及减振块的设计，同时也对刀头进行了设计，为虚 拟样机的建立打下了基础。最后通过机械振动学的知识，对所设计的减振镗杆建立了其 力学分析简化模型，然后对力学模型建立了动力学微分方程并进行求解，得出了减振系 统的振动动力学特性，为后续的有限元分析所需的初始参数的确定提供了依据。 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 4 减振镗杆a n s y s 动力学分析 4 1减振镗杆有限元模型的建立 在镗孔加工中，影响孑l 加工质量的主要因素是镗杆刀刃的径向跳动，因此研究镗杆 在外界激励下的弹性变形是非常重要的一个环节【1 1 。而对于减振镗杆，减小其径向跳动 量是通过内置的减振器与镗杆刀杆的相互作用实现的。对于该减振系统的特点，本文选 用的是大型通用有限元分析软件a n s y s 建立的减振镗杆的动力学仿真分析模型。 4 1 1有限元模型的简化及建立 在实际工程中，由于用有限元方法来分析单个零件的时候往往很少，我们主要关注 的是整个装配体的特性，因此，在进行有限元分析时，往往需要对一个比较复杂的装配 体进行比较近似的计算【4 】【1 6 】。但是其计算准确性和可靠性与所建立的有限元模型有很大 的关系，而所建立的模型的复杂程度又与有限元分析的时间和效率有着密切的关系，因 此，综合考虑这两方面因素，在实际分析中我们需要对所研究的对象进行合适的模型简 化。通常，在对模型进行简化处理时应该遵循的主要原则是根据模型各组成部分对分析 目标的重要性来进行简化，针对重要的分析目标进行详细建模，对分析目标不重要的结 构适当进行简化，常用的模型简化方法有三点f 4 】：尽量降低分析问题的维数，能用二维 模型来处理的要避免用三维模型去做：简化对模型影响较小的一些细节地方，如倒角与 圆角；模型中出现有形状和边界条件都有对称性时，就可以只取一半的结构进行计算。 综合以上的分析，对于本次分析的减振镗杆，由于我们主要分析是内置减振器的减 振效果，因此对于减振系统部分，应该根据图纸进行详细建模，其他部分可以进行相应 的简化。对于刀头部分，由于形状比较复杂，也不算分析的重点，同时为了后续网格的 划分以及计算的效率，在有限元分析的时候我们采用的是圆柱形代替，与实际的刀头有 一定的差异。最终建立的简化的三维减振镗杆模型如下图4 1 所示： 1 6 西华大学硕士学位论文 图4 1 减振镗杆简化模型 f i g 4 1 t h es i m p l i f i e dm o d e lo fv i b r a t i o na b s o 叩t i o nb 0 血g - b a r 4 1 2 有限元模型单元的选择及材料参数的设置 在有限元分析模型的建立过程中，首先要选择单元类型和设置材料的参数。在 a n s y s 的单元库中有几十种单元类型可供分析选择，我们需要根据所研究问题所属的 物理场范围，确定出用于该物理场范围的单元。例如是进行结构分析、热分析、还是流 体分析，他们都对应了各自的分析单元。本次分析属结构分析，我们选择的是结构分析 中的单元。 本次分析，除了阻尼液我们选择的是弹簧阻尼单元c o m b i n l 4 外，其余的都是选择 的三维实体单元s o l i d l 8 6 来进行模拟。c o m b i n l 4 单元是具有一维、二维或三维应用中 的轴向或扭转性能，二节点单元，本身没有质量，但可以通过质量单元添加。他的刚度 系数或阻尼特性是可以通过改变s p 血gc o n s t a l l t 与d a m p i n gc o e 鼢e i l t s 的值来实现的； s o l i d l 8 6 单元是具有2 0 个节点的3 维的实体单元，该单元上的每个节点上有x ，y ，z 三个方向的平移自由度，具有塑性，超弹性，蠕变，应力刚化，大变形，大应变的能力。 对于材料参数的设置，除减振单元我们初步根据理论计算值进行设置外，其余我们 根据所给材料进行参数的设置。在a n s y s 中没有物理量单位的概念，这里我们需要注 意设置的参数单位要统一，封闭就行。在本次的分析中，所有单位都采用的是国际标准 单位。 基于a n s y s 的减振镗杆动态特性参数化分析 4 1 3 单元实常数的定义 在a n s y s 单元库里，并不是所有的单元类型都需要实常数的定义，单元的实常数 依赖单元类型的特性。在本文中只需要对弹簧阻尼单元c o m b i n l 4 定义实常数。对于 c o m b i n l 4 单元，它主要的实常数为线性弹簧的刚度系数、阻尼系数和非线性的阻尼系 数。对于阻尼液的模拟，我们忽略了阻尼液质量对减振镗杆减振效果的影响，这里只对 线性阻尼系数进行设置，具体设置如图4 2 所示： f l g 4 2 i h er e a lc o n s t a n ts 酣m go tc o m b m l 4e l 锄e n t 4 1 4网