机床零件模态分析.docx

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1、4.2.1机床结构模态分析模态是机械结构的固有振动特性之一，结构的每一个模态都有其特定的固有频率、阻尼比以及振型[51]。这些参数对于分析以及评价机床结构的动态性能，指导机械结构优化设计都具有重要的指导意义；此外共振有时会造成结构的振动或疲劳，从而破坏结构，所以了解结构本身所具有的刚独特性（结构的固有频率、振型），就可避免该结构在使用过程中因共振因素造成的不必要的损失。本章将采用有限元法对本论文所设计的机床进行模态分析，为机床的可靠性研究提供重要的理论依据，并为后续的机械结构优化提供参考。本节所分析的机床是经过简化的机床模型，首先用Pro/Engineer三维实体化建模软件对简化的机床进行三维

2、建模，本文借助于AWE（ANSYSWorkbenchEnvironment）只对软轴弹性磨削工具系统简化模型进行模态分析以及谐响应分析。Ansys提供了7种模态计算方法：子空间法，分块法，缩减法，动态功率法，非对称法，阻尼法，QR阻尼法。对于大多数分析来说，选用的都是子空间法，分块法和缩减法[52]。子空间法采用的是子空间迭代方法，内部使用的是Jacobi迭代算法，计算时采用的是完整的矩阵，因此计算结果的精度非常高。子空间法无法选择主自由度，因此对于一些不对称且比较复杂的结构，计算速度慢，但是对于大型对称结构，计算方便且精度高。分块法用于大型的多阶模态（40阶以上）分析，计算时自动选取稀疏矩阵

3、进行计算，因此计算速度比子空间法快，但精度并不比子空间法差。其对计算机内存要求高，大约比子空间法所需内存多一半。缩减法采用HBI算法来计算特征值和特征向量。缩减法只选择一个主自由度来计算，因此计算速度特别快，但是在计算的过程中采用的质量矩阵是一个近似矩阵，导致计算结果的精度低。模态分析是用来确定结构振动特性的一种技术，它是所有动力学分析最基础的内容，主要做的内容是自然频率和阵型的分析，其目的是使结构避免共振或者以特定的频率振动，认识结构对于不同的动力载荷是如何响应的，为其他动力学分析提供控制参数[53]。4.2.2建立有限元实体模型用三维实体建模软件Pro/Engineer创建软轴弹性磨削工具

4、系统模型。用Pro/Engineer创建好机床实体简化模型后，须将该模型导入ANSYSWorkbench软件；Pro/Engineer与Workbench兼容，可以直接将Pro/Engineer中的机床简化实体模型导入Workbench中。如图4.5所示。图4.5软轴弹性磨削系统4.2.3软轴弹性磨削工具系统模型模态分析砂带轮支架材料为，密度，弹性模量，泊松比。将模型导入ANSYSWorkbench中，进行模态分析。分析流程如图4.3所示。图4.3软轴弹性磨削工具系统简化模型模态分析流程导入三维模型，如图4.6所示。采用ANSYSWorkbench默认的单元类型（SOLID187、SOLID1

5、86）对简化模型进行网格划分。对于简化模型中尺寸较大的零件采用较大的网格划分，单元体尺寸大小为，网格划分的结果如图4.7所示。整个模型一共划分个单元体、个节点。图4.6导入实体图4.7网格划分网格划分好后，对机床简化模型施加约束。施加约束时，约束外力是接触论和叶片之间的相互作用力，作用在接触轮上，方向指向接触轮的圆心。将模态的阶数设置为6阶。设置好参数后求解，得到固有模态及相应的振型频率见表4.1所示。本次分析取振动筛的前6阶固有频率，见表4.1，取振动筛的第1阶到第6阶的阵型图，见图4.8到图4.13。表4.1振动筛前6阶固有频率值阶数固有频率值（HZ）147.812256.7793219.

6、154279.975317.886492.64图4.8第1阶振型图图4.9第2阶振型图图4.10第3阶振型图图4.11第4阶振型图图4.12第5阶振型图图4.13第6阶振型图由表4.1我们可以看出，振动筛的第1阶固有频率为47.812HZ，而第7阶固有频率为56.779HZ，而软轴弹性磨削工具系统的工作频率为46HZ，小于第1阶固有频率，但是距离它们较近，因此可能在工作频率附近发生共振，造成软轴弹性磨削工具系统不稳定等现象，因此软轴弹性磨削工具系统本身的动态性需要改进。由图4.9到4.12我们可以看出软轴弹性磨削工具系统弹性体主要以弯曲振动和扭转振动为主。其中第3阶振型图可以看出软轴弹性磨削工

7、具系统支架发生弯曲振动，第4阶振型图可以看出支架沿着Z方向的扭转振动。综上所述，从整个振型图我们可以看出软轴弹性磨削工具系统支架的弯曲刚度低一些，所以，要对支架做结构做一些调整。但是这些振型图只是对结构本身相对变化的一种分析，不能判断砂轮支架在受到外部载荷的情况下是否满足要求，因此，要想了解支架在激振力的作用下的受力和位移情况，必须对其进行谐响应分析，了解软轴弹性磨削工具系统在工作频率下支架和砂带