研究论文-供弹系统升降平台的有限元模态分析.pdf

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为改善供弹系统升降平台的动态特性,减小振动对供弹精度以及供弹速度的不良影响,利用有限元软件ANSYS/Workbench建立滚珠丝杠和升降平台的有限元模型并且进行模态分析,在此基础上对升降平台整机进行谐响应分析,得到仿真结果:丝杠的工作转速远小于模态分析中的第一阶固有频率,因此不会发生共振,满足设计的要求;弹箱底板在各阶振型中的振动比较严重,应该增加底板的厚度、减小底板内腔的尺寸从而增加底板的刚度;当外界动载荷的频率接近101 Hz时,振幅迅速增大,振动时系统的应力主要集中在丝杠和轴承接触处、螺母安装座及电机安装底板处,可以通过增加滚珠丝杠的刚度以及螺母和电机安装座的刚度来减小振动幅度。优化了升降平台的设计,提高了抗振能力。
科 技 第42卷 几何体、添加材料库、添加模型材料属性、划分网格、 对螺母位于丝杠一侧时进行模态分析,分别分 施加载荷与约束和结果后处理。但模态分析也有自析了前4阶固有频率和振型。 己的特点,建立模型时需要注意以下几点 1)模态分析只能是线性分析,对于系统中存在 丝杠的固有频率f与其对应的临界转速满足公 的非线性单元会被处理为线性单元进行分析。对于 式n=60×f。其有频率和对应的临界转速如表1 系统中两部间之间的接触,其刚度值只取决于其设所示 定的初始值,在分析的过程中不会改变。 表1丝杠固有频率和临界转速表 2)模态分析中材料定义杨氏模量和密度,这是 模态阶次第1阶第2阶第3阶第4阶 由于系统部件的刚度和质量直接影响模态参数。 3)对于不被完全约東的系统或系统中的部件 频率/Hz 103.6103.76284.66285.12 模态分析会检测到系统的刚性位移,对应的模态频临界转速/rmm62166225617079.6171072 率在0z附近,称为刚体模态。 升降平台工作时丝杠的最人转速为 4)系统的边界条件将直接影响模态分析结果 1500r/min,对比表1中的临界转速,可以看出丝杠 因此必须准确识别系统的边界条件,认真考虑系统 及各部件间是怎么约束的67 的工作转速远小于模态分析屮的第一阶固有频率 电机通过联轴器联接将旋转运动改变为直线运因此不会发生共振满足设计的要求。 动,丝杠不断地旋转产生一个周期性的载荷,此变载 对于文中选用的丝杠的一阶固有频率对应的转 荷的存在使丝杠的变形和应力等状态与静载荷大不速远大于丝杠实际工作的转速的情况,为了降低成 相同,因此对丝杠进行模态分析和谐响应分析是必本,可以选用直径稍小的丝杠,同时也可减小轴承结 要的。在 ANsys/ Workbench中建立丝杠的有限元 模型,并进行网格划分,边界条件为一端固定一端支合面、丝杠螺母结合面的接触刚度等。 撑。由于螺母在丝杠中间位置时,滚动导轨副对丝4升降平台有限元建模 杠的支撑作用,使得丝杠的振动主要集中在螺母和 支撑轴承之问,丝杠的跨度变小,固有频率增高,因 结合升降平台的结构特点,建立有限元模型时, 此在螺母位于丝杠一侧时的固有频率要低于螺母位要考虑以下方面问题:局部细节处理、网格划分、结 于丝杠中问时的固有频率。对弹箱在平台一侧时的 合面的处理。 丝杠进行模态分析。图2为螺母位于丝杠一侧时的 前四阶模态振型图。 1)局部细节处理 升降平台模型中包含很多小特征,如倒角、小螺 纹孔、光孔等,这些小特征会造成局部网格划分过 密,甚至造成內格划分错误,影响分析计算效率,也 对整个系统的动态特性影响很大,为了使网格划分 后单元网格的形状和密度合理,提高分析结果的精 度和可靠性,同时减少计算时间,囚此在建立升降平 ()第1阶 (b)第2阶 台冇限元模型前需要对模型进行等效简化。 2)网格划分 对于三维几何来说, ANSYS/ Workbench有几种 不同的网格划分方法,例如:自动网格划分、四面体 网格划分、扫掠法、多区法等。 本有限元模型采用的是自动网格划分和扫掠法 结合的格划分方法。合理控制內格密度,在不影 ()第3阶 (d第4阶 响计算精度的条件下减少计算时间。升降平台有限 元模型网格划分后如图3所示。 图2螺母位于丝杠一侧时丝杠前四阶模态振型图 第6期 郭春阳,等:供弹系统升降平台的有限元模态分析 23 500 1000.C0(mm 5c00 5000 7520 (a)第1阶 (b)第2阶 500 100n 75000 图3升降平台有限元模型 3)结合面的处理 结合面的动态特性常用接触刚度和接触阻尼描 述,对于螺栓联接、轴承内圈与轴、轴承外圈与轴承 座等固定结合面,由于其接触刚度数量级比结合面 高出1-2个数量级,因此在 ANSYS/ Workbench中 0.00 750.0c 将其视为刚性联接。而滚珠丝杠螺母副结合面、支 (c)第3阶 (d)第4阶 撑轴承结合面及滚动导轨副结合面处滚珠的接触刚 度在 ANSYS/ Workbench中不能通过刚性联接来模 拟,否则会引入附加刚度,可用弹簧单元法来模 拟81。弹簧单元的刚度值,查阅相关资料阻尼系数 设为0.1。 5升降平台模态分析结果 为了模拟升降平台样机的实际安放条件,升降 平台的有限元模型的边界条件为安装架底面被施加 全约束以及中间和顶部施加部分约束。同时为了研 0000umm) 究结合面对升降平台整机动态特性的影响,分别对 5000 250.00 75c00 考虑结合面接触刚度(柔性结合面)和不老虑结合 (e)第5阶 (门)第6阶 面接触刚度(刚性结合面)情况下整机的动态特性 图4结合面刚性联接时整机前6阶振型图 进行分析。不考虑结合面影响时,在 ANSYS/Work bench中将2个零件的结合面直接粘合在一起。计 算得到的前六阶固有频率分别列于表2中,与其对 应的以节点综合位移云图表示的振型图如图45 表2结合面刚性联接和柔性联接时整机前6阶固有频率 阶次 3 4 6 刚性联接吋 整机固有频率9801014.710.2202325 100000(mm 0,ot(mm) 柔性联接时 z50.c0 rs000 38977.099.1165.5179.6246.1 整机固有频率 a)第1阶 (b)第2阶 24 科 技 第42卷 特性不仅与自身的结构有关,而且与各部分的结合 面的接触刚度和边界条件有很大关系。因此对于分 析升降平台的整机功态特性,建立准确的结合面动 力学模型来模拟结合面特性是非常重要的910。 6升降平台模态分析结果 谐响应分析也称为频率响应分析或者扫频 1000. 00 (mm) 500.00 10c00mm) 25000 5000 750.c0 分析,它是一种特殊的时域分析,计算结构在正弦激 励(激励随吋间呈正弦规律变化)作用下的稳态振 (c)第3阶 (d)第4阶 动,也就是受迫振动分析。 结构在简谐载荷作用下受迫振动的微分方 程为 Ma+ Cq+ Kg=fsin(ot) (5) 荇节点位移响应为 q 式中:A为节点振动位移嗝值向量;φ为位移响应 1000.00(mmy 5000 100000m 落后简谐激劢的相位角。 75000 将式(5)带入式(6)可得: (c)第5阶 (f)第6阶 A=[-Mo2sin(at+φ)+ Cocos(ot+φ) 图5结合面柔性联接时整机前6阶振型图 +Ksin(at+φ)]1·Fsin(ot) 对比表2中刚性结合面和柔性结合面情况下计 利用有限元软件求解,设定o的频率范围和频 算的整机固有频率可知,刚性结合面情况下计算的率间隔,定义谐波载荷F的大小,从而可以得出若 整机固有频率比柔性结合面情况下的固有频率高出 系统受到大小为F、频率为ω的谐波载荷时,某节点 很多,基本上都高出70%。 振动的位移幅值,由节点的位移幅值和系统材料的 对比图4和图5中的振型图以及表2中的各阶杨氏模量,进而可以求得该点的应力。 振型描述可知,各阶振型相差都比较人,由此可知, 文中凵经对升降平台进行了模态分析,得到了 对升降平台进行模态分析时,是否将结合面上的接升降平台的各阶固有频率和振型,通过分析团有频 触刚度融人整机的动力学模型中,对模态分析结果率和振型,只能推断出系统共振时各部件的相对振 中的固有频率和振型影响都很大。 动情况。 从柔性联接的模态分析结果可知:第1阶固有 在外界动载荷激励下,系统的振动是各阶模态 频率分别为389Hz,因此要通过提高丝杠螺母副以的线性叠加,但不同外载荷时各阶振型对系统的影 及导轨副的接触刚度来提高第1阶的固有频率。升 响程度是不同的,因此需要对升降平台进行谐响应 降电梯的支撑机构几乎不发牛振动,说明这部分的分析,通过谐响应分析结果就可以直观的看出在动 刚度足以抵抗低频振动,满足系统需要。弹箱底板态激励下系统各部分的响应及抗振性能。 在各阶振型中的振动比较严重,应该增加底板的厚 设定分析情况F=-100N为作用在螺母上,谐 度、减小底板内腔的尺寸从而增加底板的刚度。系 响应分析激振频率的范围为10~140Hz,因为滑块 统的第1阶固有频率(基频)是衡量系统动态性能的振动直接反应升降平台的抗振性能和精度,谐响 好坏的一个重要指标,采取措施提高第1阶固有频 应分析计算出滑块上一点X、Z方向上振动的位移 率对升降平台整机的抗振性很有必要。 如图6和图7所示。 从整机的模态分析可知,升降平台的整机动态 第6期 郭春阳,等:供弹系统升降平台的有限元模态分析 0.018 0016 0.014 0012 烂0010 0008 世000 0004 0.002 20406080100120140 频率/z 图6X方向振动位移 图9系统应力云图 0.025 7结束语 自0.020 舰炮供弹系统各个部位在工作过程中存在较大 l0.015 振动,这直接影响舰炮的供弹精度以及供弹速度,通 0.010 过模态分析的理论与仿真可以找到振动的原因以及 0.005 振动较为严重的部位,然后提出抗振的方法。升降 平台是目前最新提出的结构,简单可靠,但是由于采 20406080100120140 用滚珠丝杠以及滑轨机构,因此升降平台的振动硏 频率/Hz 究在理论上和实用上都具有很重要的意义。此文只 图7Z方向振动位移 是对其进行仿真分析,如果想更真实的了解其存在 明:当外界动载荷频率和系统固有频率的振动间题还需要进行样机制造以及实验研究 相差较大时,系统处于弹性控制区,振幅的嚼度主要参考文献: 受系统刚度影响,此时提高系统刚度可以减小系统的 振动幅度;当外界动载荷的频率接近101H2时,与模1陈汀峰,对舰炮发展的思考[刀.舰船科学技术,207 态分析中的第一、二阶固有频率接近时,振嗝迅速增 29(S1):3-10 大,K方向上振动峰值为16μm,z方向的振动峰值2邱志明,孙世岩,易善勇,等觎炮武器系统技术发展 为20μm。图8表明平台丝杠螺母的安装,使得另 趋势研究[门.舰船科学技术,2008,30(2):21-26. 侧弹箱振动的最大位移量为16μm,从图9可看出, [3]傅志方,华宏星.模态分析理论与应用[M].上海:上海 振动时系统的应力主要集中在丝杠和轴承接触处、螺 交通人学出版社,2000 母安装座及电机安装底板处。可通过增加滚珠丝杠 4」梁霭民,杨媛媛.基于车架的振动模态方法应用饼究 的刚度以及螺母和电机安装座的刚度来减小振动幅 [冂].电脑知识与技术,2012,8(24):5878-5881 5」曹树谦振动结构模态分析LM」.大津:大津大学出版 度,提高系统抗振能力 社,2001:5-2 「6]陈艳霞,陈磊 工程应用案例精通ˉM]. 北京:电子工业出版社,2012:112 7]凌桂龙,丁金滨,温正. bench13.0从入门到 精通[M].北京:清华大学出版社,2012:100-118 [8]蒋书运,祝书龙.带滚珠丝杠副的直线导轨结合部动态 刚度特性[刀.机械工程学报,2010,46(1):92-99 [叨]李少远.大口径舰炮弹库出弹平台进给系统动态特性研 究LD」.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2013:54-63. 1000.0trm [10]于天彪,王学智,关鹏,等.超高速磨削机床主轴系统 图8系统位移云图 模态分析[刀.机械工程学报,2012,48(17)

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