锻造操作机机械结构的模态匹配分析

1、186文章编号：-3997（8）12-0186-02机械设计与制造第12期8年12月锻造操作机机械结构的模态匹配分析*2任云鹏1，张天侠1韩清凯1于红旭2黄振东2闻邦椿1（1东北大学机械工程与自动化学院，沈阳110004）（2北方重工沈重集团有限责任公司研究设计院，沈阳110025）Modal alignment match analysis of mechanical structure of forging manipulator2REN Yun-peng 1，ZHANG Tian-xia 1，HAN Qing-kai 1，YU Hong-xu 2，HUANG Zhen-dong 2，WE

2、N Bang-chun 1（1School of Mechanical Engineering and Automation ，Northeastern University ，Shenyang 110004，China ）NHI Shenyang Heavy Machinery Group Co.Ltd ，Shenyang 110025，China ）（2Research and Design Institute ，【摘要】首先对操作机机械结构进行子结构系统化分，然后用有限元法对各子系统和主要零部件进行模态计算，对各子系统和主要零部件的前五阶固有频率（或低于400Hz ）进行模态匹配分析，结

3、果表所完成的操作机机械结构系统具有较好的模态匹配特性。明，关键词：锻造操作机；模态匹配；模态计算；有限元【】We make sub -structures divided for the mechanism structure. Modal calculations for many key sub -structures and some important components are finished with the finite method. Modal alignment matching analyses are achieved for the first 5order na

4、tural frequencies of all sub-structures and some important components （it may under 400Hz ），the result tells us that what we have done has a good modal alignment matching characteristic.Key words ：Forging manipulator ；Modal alignment match ；Modal calculation ；Finite element method中图分类号：TH16，TG 31文献标

5、识码：A1引言锻造操作机是万吨水压机的主要配套设备。锻造操作机与锻可以大大提高制造能力、制造精度、生产效造加工设备协调作业，率和材料利用率，降低能耗。锻造操作机作为一种重载操作设备，设计制造成本比较高。考虑到经济性，万吨压机锻造操作机在加工制造之前需要做大量的准备与校核工作。因此，虚拟样机技术在大型锻造操作机研发中得到了广泛应用。1建模后，可以将操作机分成多个子系统（子结构）进行模态分析，即对主要零部件进行了模态参数计算，进而分析整机结构系统的模态匹配特性是否合理。模态分析和模态匹配的结果可以为以后的结构动态优化设计以及系统集成与控制提供参考。2操作机主要零部件的模态参数计算某平行连杆式操作机

6、主要由如下几部分组成：钳杆、钳头、上下平移液压缸（2个）、上下摆动液压缸、缓冲调节缸（2个）、左右平移液压缸（2个）、左右摆动液压缸（2个）、连杆（2个）、前推臂、后推臂、车体等主要零部件组成，如图1所示。在进行操作机机械结构的模态匹配之前，首先计算主要子系统或零部件的模态参数。在这里，需要进行模态计算的主要零部件包括：操作机的车体、上下平移液压缸、上下摆动液压缸、后推臂，钳杆，钳头等。来稿日期：2008-02-15基金项目：国家自然科学基金项目（10402008）上下摆动液压缸上下平移液压缸缓冲调节缸车体连杆其他后推臂在锻造操作机的设计阶段，完成主要结构零部件三维CAD钳口前推臂钳身图1平行

7、连杆式操作机结构系统及其主要子系统根据弹性结构有限元原理建立的某零部件结构动力学方程（不考虑阻尼影响）是：咬t Ma （）+Ka（t ）=0它的解可以假设为以下形式：a=sin （t-t 0）由初始条件确定的时间常数。将（2）式代入（1）式，就得到广义特征值问题。K -2M 0（3）求解以上方程可以确定和，结果得到个特征解（12，1），（22，2），（n 2，n ），其中特征值1，2，n 代表系统的n 个固（2）n 阶向量；向量振动的频率；t 是时间变量；t 0式中：（1）第12期有频率，并有0燮12n 。任云鹏等：锻造操作机机械结构的模态匹配分析*187对照子系统联接，若有几个零部件的固有频

8、率相近，且存在相互联接，那么它们将存在彼此影响、发生共振的可能。这在设计过程中可以进行进一步的核算或改善。（4）根据图2所示的该操作机结构系统的模态匹配情况，可以认为现有的子系统和主要零部件的各阶固有频率不存在明显的重叠或较接近的情况，特别是仔细分析了相互直接耦联的子系统和零部件。这说明，从模态匹配的角度，现有机构设计是合理的。利用模态匹配分析可以发现是否存在个别子系统或零部件的固有频率不适当。根据动态优化设计的原则，需要调整某子系统或零部件的结构形式。这时，其固有频率会发生变化。必须再根据模态匹配图，对照与之相连的子系统的模态频率来判断其合理五阶/Hz特征向量1，2，n 代表系统的n 个固有

9、振型。它们的幅度可按以下要求规定：i T M i 1（i =1，2，n ）这样规定的振型又称为正则振型，即所谓的固有振型。结构固有频率和固有振型的求解是振动模态分析的关键问题。求解固有频率和振型的方法有振型截断法、矩阵逆迭代法、李兹法、广义雅可比法等，在通用有限元分析软件中都提供了成熟的算法。如表1所示，是用ANSYS 计算得到的操作机主要结构零部件的前五阶固有频率列表。表1操作机主要结构零部件的计算固有频率一阶/Hz零部件名称8.42车体上下平移液压缸132.9711.61前推臂前推臂与吊杆的64.52连接装置141.15吊杆61.69缓冲缸42.33连杆38.79后推臂上下摆动液压缸164

10、.98197.55对中缸80.59钳杆122.55钳口117.82钳口外套二阶/Hz性。更多层次的子系统分析与此类似。在进行模态综合时，子系统界面上的联接条件（协调方程）将所有子系统的没有耦联的模态坐标变换到系统的耦联的广义坐标上。子系统的联接条件一般分为三类，即刚性联接、弹性联接和半刚性半弹性联接。对于弹性联接，两个子系统之间视为由弹性元件联接，其联接刚度应由试验测得。但是，在操作机实物结构没有制造之前，不能用试验确定联接刚度，只有通过经验积累并进行多次模拟。在形成系统方程时，可将假设联接弹簧的刚度矩阵叠加到两个子系统的刚度矩阵上。半刚度半弹性联接是上述两种联接特性在同一个界面上都存在的情况

11、。4结论（1）万吨压机锻造操作机机械结构具有复杂的机构形式，由多个子系统结构和关键零部件联接而成。各子系统和零部件的固有决定着整机结构系统的动特性。对动特性以及其相互联接特性，操作机机械结构系统进行模态匹配分析，可以避免子系统和零部件之间可能因耦联而发生的共振，改善系统动态性能。（2）对操作机结构系统进行分析，可以划分为相互联接的若干子系统。在三维CAD 建模的基础上，用通用有限元软件，计算得到各主要子系统和主要零部件的固有频率和阻尼比等模态参数。将上述模态参数进行列表比较，得到操作机结构系统的模态匹配图。对某型平行连杆式锻造操作机的模态匹配图进行分析，可以说明已有设计的操作机结构的模态分布具

12、有合理性。（3）操作机结构各子系统之间相互联接，其联接特性一般具有弹性界面性质。利用模态综合法可以进一步分析结构系统的整机动特性，但界面弹性系数的确定一般依赖于试验和工程经验。3操作机机械结构的模态匹配分析操作机上各个子系统都是相互连在一起的，如前轮、后轮、轴臂和轴前臂都与车体连在一起，连杆、后缸和前动轴都与轴前臂连在一起，几个主要子系统和零部件之间的联接关系（图略）。子系统之间的连接，图中用C 来表示。另外，实际系统中可能更为复杂，即一个子系统可以再分成下一级的若干次级子系统，模态分析可逐级进行。操作机机械结构的不同零部件的模态，特别是存在联接关系的结构，其模态一定要分开，如前推臂的模态频率

13、不能与车体的某一阶模态频率相同或接近。为了清楚地区分操作机各子系统和绘制模态匹配图，如图2所示。主要零部件的模态参数之间的关系，频率/HZ车体上下平移液压缸前推臂吊杆处连接装置吊杆缓冲缸连杆后推臂上下摆动液压缸对中缸钳杆钳口钳口外套204060参考文献1王凤喜. 锻造液压机与操作机的发展. 锻压机械，1998（6）2闻邦椿，张国忠，柳洪义. 面向产品广义质量的综合设计法. 北京：科学出版2006社，3Ewins D J. Modal Testing ：Theory ，Practice and Application ，The 21th Edi tion ，Research studies press ，2000：433434图2操作机的主要零部件的模态匹配图金志浩，战洪仁. 有限单元法及应用. 吉林：吉林科学技术出版社，4韩清凯，20025Allemang R J ，Brown D L. A correlation coeffcient for modal vector analysis ，. Proceedings