水泥输送泵车结构动态优化研究

《水泥输送泵车结构动态优化研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、K形直线超声电机定子的建模与结构动力学分析汪红兵1,李志荣，许海摘要：应用UG软件建立了K形超声电机三维实体模型，利用ANSYS软件对UG中设计的K形超声电机的定子部分进行了模态分析与谐响应分析，得出系统的结构动力学特性，从而获得设计所需的必要数据。关键词：K形超声电机；建模；模态与传统的电磁电机和旋转型超声电机相比，直线型超声电机的最大特点是无需运动转换机构、直接驱动动子实现直线运动，因而备受人们的关注。特别是上世纪80年代以后，日本、美国、俄国、以色列、新加坡等国先后研制出了各种型式的直线电机，其中某些直线型超声电机得到了应用。例如，日本利用直线型超声电机来遥控汽车反射镜，美国将直线型超

2、声电机应用于美国信息产业，以色列用直线型超声电机驱动真空X-Y精密工作台。日本在直线型超声电机的研究方而仍走在世界的前列[l-3]o国内对直线型超声电机的研究始于90年代，清华大学、南京航空航天大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学等国内高校开展了这方面的研究，并取得了一定的成果[4-8]o本文涉及一种两个一阶纵振模态合成的K形直线超声电机，在阐述其结构组成、工作原理的基础上，利用UG软件的实体造型功能，完成了电机的计算机辅助几何造型，并使用有限元分析软件ANSYS对电机的主要部分定子进行了模态分析和谐响应分析，从而为电机的设计提供了理论依据。1K形直线超声电机及其实体模型K形直线超声电机由定子

3、和动子（亦即直线导轨）两部分组成。定子是其主要部件，由两个互相垂直、头部相连的兰杰文振子构成。兰杰文振子则是由螺栓将头部、尾部、压电片与电极、安装支座紧固为一体的。电机整体呈“K”字形，故称为K形超声直线电机，如图1所示。选择兰杰文振子的一阶纵振模态为电机的工作模态。由于两个兰杰文振子在空间上相互垂直，当在两组压电片上分别施加频率相同的正弦、余弦交流激励电压时，就会在定子头部的驱动点上合成椭圆运动，进而依靠定子与动子之间的摩擦作用，驱使动子作直线运动。这就是电机的工作原理。图1K形电机的三维实体模型(3)(4)(5)计算机辅助设计广泛应用于产品设计中的数据计算、几何分析、产品模拟、图样绘制、

4、编制技术文件等工作，其屮三维造型技术为计算机辅助工程(CAE)屮的三维有限元分析提供了方便。我们使用UG的实体造型功能，建立了电机的各主要部分的三维实体模型，利用装配技术完成电机整机模型，如图1所示。2定子的结构动力学分析2.1模态分析定子的主要部分是两个结构及尺寸完全相同的兰杰文振子。为了分析方便，将兰杰文振子简化为圆柱形，其主要结构参数为内半径尺、外半径忌以及总长度长度厶。兰杰文振子的振动方程可以表示为：(1)其中[M]、[K]、{f}分别为质量矩阵、刚度矩阵和响应向量。对(1)进行拉氏变换，并且假定初始位移和初始速度为零，则得：(〃2[M]+[K]){X(p)}={F(p)}(2)或者

5、[Z(P)]{X(p)}={F(/7)}式中[Z(加为动刚度矩阵，[Z(〃)]=同洌+网。由式(3)式可得{X(p)]=[H(p)]{F(p)}式中[H(P)]为系统的传递函数矩阵，[H(p)=[Z(。按照标准算法，一个矩阵的逆矩阵可以由它的伴随矩阵计算出来:顽z(〃)])

6、Z(P)

7、式(3)〜(5)的分母，即[Z(/7)J的行列式，叫做系统特征方程。系统特征方程的根，即系统极点，决定系统的共振频率。相应的特征值问题为(p[M]-p[MV{X}={0}(6)其特征值就是满足下列方程：

8、M^]+[S]

9、=°(7)该方程的根就是上而提到的特征方程

10、Z(p)

11、=0的根。根据式(7)可以求得斤个特征

12、值尤(i=l,2…力。将这些特征值集合成一个对角矩阵，对应特征向量{外(心1,2・・・,/7)集合成模态向量矩阵[①]。在振动分析中，这些特征值和特征向量就表示系统的各阶固有频率和振型。K形电机的兰杰文振子的有限元模型及网格划分如图2所示。图2兰杰文振子的有限元模型及网格划分兰杰文振子的内径和外径分别设定为%=3肌肌,“iOW其屮，振子的正屮部为6片压电陶瓷片PZT-8,每片的厚度为1"切S振子的两端为45钢。用有限元软件ANSYS对兰杰文振子进行了模态分析，经反复试算，得到一个^20mmx58mm(定子的外径x长度)的设计方案：工作模态一阶纵振的固有频率/为27467Hz,其振型如图3所示

13、。图3兰杰文振子的一阶纵振振型2742fl27-leiri27Wi37540375fln37640图4兰杰文振子的频率响应2.2谐响应分析在压电陶瓷片上施加100U(峰-峰值)的正谐交流电压，用有限元软件ANSYS对兰杰文振子进行谐响应分析。图4是兰杰文振子的驱动端面沿轴向的频率响应曲线。可以看出在工作频率(27460Hz)下，振子的驱动振幅可达到约11“〃。谐响应分析还表明，振子的驱动振幅与激励电压成正比，