大型复合材料铺丝机模态分析

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1、大型复合材料铺丝机模态分析宰ModalAnalysisofLargeCompositeFiberPlacementMachine北京航空制造工程研究所杨会芳金辉张永康张省【摘要】对大型复合材料铺丝机的三维实体结构进行模态分析，发现结构薄弱环节，对结构刚性设计提供准确设计方案。关键词：有限元铺丝机模态分析频率lABSTRACTlBymodalanalysisofthree—dimen-sionalsolidstructureoflargecompositefiberplacementmachine，thestructuralweaknessesaregotten．

2、Inaddition，theanalysisresultsprovidetheaccuratedesignofstrut—turalrigidity．Keywords：FiniteelementanalysisFiberplace-mentmachineModalanalysisFrequency传统复合材料构件采用手T成型，生产效率低、废料高，产品质量难以保证。自动铺放技术利用专用铺放设备，实现了丝束铺放的自动化。国外复合材料铺丝机的研制开始于20世纪60年代，而国内主要依靠进口。随着大飞机对复合材料的需求日益增多，大型复合材料铺丝机的自主研制迫在眉睫。由于大

3、型复合材料铺丝机在结构上无设计经验，前期的设计中结构性能分析尤其是模态分析显得非常重要。模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，目的是通过计算同有频率和振型，对结构设计提供参考。当激振力频率接近某一固有频率时，结构将发生共振；若激振力频率不可改变，需通过改变结构设计使其固有频率避开激振频率。本文以某型大型复合材料铺丝机为工程背景，采用UG软件建立该铺丝机的计算模型，通过有限元分析软件ANSYS进行模态分析，优化结构设计。1工程背景铺丝机总体结构为高架桥式龙门结构，如图1所示，横梁悬挂铺丝头。铺丝机由立柱、横梁、直线导轨、横滑板、铺丝头、数控系统、伺服驱动、电气

4、控制系统及辅助设备等部分组成。横梁部件重22t，在X向的运行速度为40m／rain。+国家科技重大专项项目(2009zx04004-11I)资助。80航空制造技术·2010年第22期横滑板重2t，在l，向的运行速度为40m／rain。垂滑枕重2．5t，在z向的运行速度为40m／min。立柱采用上下钢板中间混凝土的混合结构，横梁、滑板为钢板焊接结构，铺丝头采用轻质铝合金材料制造。图1铺丝机总体结构Fig．1Structureoffiberplacementmachine2模态分析铺丝机整体结构跨度大、行程长、运行速度快、精度高、移动部件质量大，热、力影响情况复杂，

5、各部件相互影响，频率分布密集。本文通过建立铺丝机的有限元分析模型，进行结构的振动特性分析，得到铺丝机的固有频率；并对前5阶频率进行分析，发现设备薄弱环节，为铺丝机的结构优化设计提供理论依据。铺丝过程中，设备各部件之间存在位置间的相对运动，静力分析时可以对任意位置通过对运动部件间接触表面施加节点间的位移耦合建立边界条件来分析。这样做不会影响静力分析结果的准确性，因为静力分析中接触面间的相对滑动只是增加部件间的刚体位移，对变形和应力值没有影响，所以静力分析时不需考虑接触面间的相对滑动。为较全面地了解铺丝机的固有频率分布，提取前100阶频率，对铺丝性能有较大影响的振型

6、所代表的意义进行解析。根据牛顿运动定律，系统的振动方程为：【^f】{戈}+【qfj}+【K】{工}={“f)}，(1)式中【阍为质量矩阵，【q为阻尼矩阵，[司为刚度矩阵，{“t)}为节点载衙矢量，协}为位移矢量。当[加[q【蜘已知时，可求得一定激励{f(t)}下的结构响应{x(t)}，方程(1)两端经傅里叶变换，可得：【2I巾，一叫和Xfw)丹驯为激振力仉Ⅲ和位移响应灾齄xlt)I曲博卫叶变换：F(u)=ff(L)P，一dt{巴(3：Ix(uJ_rr(I)r“dt々Ⅲfu)J=f—u’【M】+州『c1+[K】则式c2)nr简化为fX(¨)l=』H¨j】俨(“)}

7、、【4，坷址xt结掏上的多点激振．在单点测量其响应即可褂到传递雨数矩阵的某行．进而}

8、算出模态彗数“。大型复台材料铺丝机即使经吐有限元离散电具有很多自Itl理．但是．A研究振动系统的动JJ响应时‘般H需要r解少数低阶频率与掂掣．有限几分#r对凡犁特征值州题的求解一般通过j童代fl算得到有限个低频值垴址固有频率计算町u显现结构刚性薄弱I‘域．时为攫士低颧振动的K域一般说明这一部位的刚度较低、所以町以通过加强此Ix域的局部刚度使其选到提高整目L动态性能的目的设备原龄结构的初阶掰有频率为281iz．通过结掏优化和局部刚度加强后初阶矧有频率提高到3511z，使设备的动态

9、性能得到显著提高．通过对