焊接變位機有限元模態分析

楊 東，劉廣亮，李向東，馬士國

YANG Dong, LIU Guang-liang, LI Xiang-dong, MA Shi-guo

（山東科學院自動化研究所 山東省機器人與制造自動化技術重點實驗室，濟南 250014）

0 引言

焊接生產的機械化和自動化可以有效提高焊接質量和效率，降低工人的勞動強度。焊接變位機[1]作為一種焊接輔助裝備，是實現焊接生產機械化和自動化的重要組成部分，焊接變位機的工作性能將直接影響焊接質量。焊接變位機的工作性能與其動態性能關系非常密切，其動態性能（振動、噪聲和穩定性等）是影響其工作性能和焊件質量的重要指標。

為了避免變位機在工作時發生共振或者其他有害振型，需要確定變位機系統的固有頻率。本文通過有限元的分析方法[2,3]，基于ANSYS軟件對焊接變位機進行有限元模態分析，得到了其低階固有頻率和對應主振型，為焊接變位機的結構優化提供參考，同時也為其故障診斷提供了方法。

1 有限元模型建立

1.1 焊接變位機實體造型

焊接變位機的結構形式可分為三種：伸臂式、座式和雙座式。本文研究對象為一種伸臂式焊接變位機，如圖1所示，其結構主要由回轉工作臺，伸臂，轉軸和機座組成。

在進行有限元模態分析時，需采用適當的簡化和等效原則把焊接變位機簡化為利于分析的模型，以降低計算量、提高計算速度。簡化的原則是，既要對分析對象進行適當簡化以便于計算，又要確保分析對象的主要力學性能不發生變化。本分析刪除變位機上電機等次要零部件和倒角、螺栓、螺栓孔等微小特征，簡化后的模型如圖2所示。

圖1 焊接變位機

圖2 焊接變位機簡化模型

1.2 有限元模型建立

有限元模型建立的基本思想是將結構進行離散化，即把連續的集合體離散成無限個單元體。模型建立的過程主要包括：前處理（選擇單元、材料以及網格劃分等）、求解、后處理（分析結果的輸出）[4]。

焊接變位機由鋼結構焊接而成，其材料屬性為：彈性模量207GPa；泊松比0.3；密度7.8g/cm3。充分考慮網格精度、計算速度等因素，本分析采用三維實體單元SOLID186進行網格劃分，單元邊界尺寸30mm。劃分好網格的模型如圖3所示，共有56985個單元，110405個節點。

圖3 網格劃分模型

2 焊接變位機模態分析

2.1 模態分析理論

模態分析用于確定設計結構或機器部件的固有頻率和振型等振動特性。可以作為其他動力學問題分析的起點，如瞬態動力學分析、諧響應分析和譜分析，也是模態疊加法諧響應分析或瞬態動力學分析所必需的前期分析過程[5]。

為剛度矩陣；

為第i階模態的振型向量（特征向量）；為質量矩陣；

wi為第i階模態的固有頻率，wi2為特征值。

多自由度系統的振動，可分解為n個單自由度的間歇真的的疊加。

2.2 模態分析結果

系統的各階固有振型中，低階振型對系統結構的振動影響較大，因此，對結構的動態性能影響也最大。本文對變位機進行模態分析時求得其前十階固有頻率，并對其前四階主要振型進行說明。

求解后，得到焊接變位機的前十階固有頻率

如表1所示，前四階模態振型如圖4～圖7所示。

表1 有限元計算結果

圖4 焊接變位機第一階振型

圖5 焊接變位機第二階振型

圖6 焊接變位機第三階振型

圖7 焊接變位機第四階振型

根據計算結果，焊接變位機第一階模態振型為：回轉工作臺繞水平軸線翻轉，伸臂前后方向傾斜，最大振動變形位置發生在回轉工作臺頂部。第二階模態振型為：回轉工作臺繞垂直軸線旋轉，伸臂前后方向傾斜，最大振動變形位置發生在回轉工作臺的左右兩側。第三階模態振型為：回轉工作平臺繞水平軸翻轉，伸臂前后方向傾斜，最大振動變形位置發生在回轉工作臺底部。第四階模態振型為：回轉工作臺繞垂直軸旋轉，系統頂部上下振動，最大變形位置發生在旋轉工作臺左右兩側和變位機頂部位置。

從計算結果看出，焊接變位機固有頻率主要分布在100～450Hz之間。其最大振動幅值點主要發生在回轉工作臺上下左右四個頂點處，可采用增大回轉軸剛度或添加加強筋等方法減小其振動。

3 結束語

1）通過對焊接變位機進行有限元模態分析，得到其各階固有頻率和主振型。

2）焊接變位機的固有頻率主要分布在100～450Hz之間，為減小系統的振動變形，應盡量避免焊接變位機在此頻率范圍內工作。

3）焊接變位機前四階振型圖表明，其最大振動幅值點主要發生在回轉工作臺上下左右四個頂點處，需采用有效的措施減小其振動，如增大回轉軸剛度或添加加強筋等方法。

4）有限元模態分析結果為焊接變位機的結構優化提供參考，同時也為其故障診斷提供了方法。

[1] 王政,劉萍.焊接工裝夾具及變位機械圖冊[M].北京:機械工業出版社,1992.

[2] 袁安福,陳俊.ANSYS在模態分析中的應用[J].中國制造業信息化,2007,36(11):42-44.

[3] 孫伏.基于ANSYS的少齒數齒輪模態分析與研究[J].機械設計與制造,2011,(5):119-1217.

[4] 王勖成.有限單元法[M].北京:清華大學出版社,2003.

[5] 付志芳.模態分析理論與應用[M].上海:上海交通大學出版社,2000.