基于ANSYS的X2120落地式鏜銑床諧響應分析

王 軍，馬培花，高永江

(1.武漢職業技術學院，武漢 430074;2.中國長江動力公司(集團)，武漢 430074)

基于ANSYS的X2120落地式鏜銑床諧響應分析

王 軍1，馬培花2，高永江2

(1.武漢職業技術學院，武漢 430074;2.中國長江動力公司(集團)，武漢 430074)

文章以X2120落地式鏜銑床諧響應系統分析為主要研究對象，采用了有限元模型分析方式，通過ANSYS軟件構建了落地式鏜銑床關鍵零件以及組合結構的有限元模型，并進行模態特征實驗分析系統的主體結構分析，主要分為計算機激勵系統、測量系統以及數據采集處理系統三大部分的模態分析，利用ANSYS10.0軟件開展X2120落地式鏜銑床諧響應分析，結果表明彈簧阻尼連接模型只有一階固有頻率與實驗結果的相對誤差較大，其余階次均滿足一般工程精度。可通過優化模型進一步提高一階固有頻率的精度。

ANSYS;落地式鏜銑床;有限元模型;諧響應分析

0 引言

機床的加工性能取決于機床的動態性能，機床結構的動態性能對機床的加工精度、切削效率、切削的穩定性和可靠性有很大的影響，目前它己經成為衡量機床結構性能好壞的非常重要的指標。不斷進步的科學技術水平以及加工工藝，要求機床加工性能相應提高。高效率、高質量以及環保是當前機械切削加工發展的整體方向，在切削加工中十分常見的振動問題對提升機械加工水平有著制約性影響。

1 有限元模型的構建

在此部分第一，對建模方法進行選擇。實體建模以及直接生成是ANSYS建立模型的兩大方法。實體建模，要對模型幾何邊界進行描述［1］，控制單元形狀及大小，在此基礎之上由ANSYS自動生成節點及單元;直接生成法第一步需要將節點位置、單元形狀及大小確定下來;第二，模型簡化，只有正確的模型簡化才能得到準確的有限元計算結果，在進行有限元分析時，模型計算結果的精準性與網格劃分的細致程度間具有正相關關系。進行模型簡化的主要目的在于確保計算結果的可用性以及分析效率等，經過簡化之后便得到計算模型。對實體模型的簡化如下:將功能件及非承載構建省略;將一些圓弧過渡簡化為直角過渡;在確保部隊整體結構造成不利影響的基礎上，簡化截面形狀［2］;最后在截面形狀等效的前提下，對諸如臺肩、翻邊以及凹槽等進行簡化，省略對于截面特性無明顯影響的特征;第三，單元選擇。在進行有限元分析過程中，一項重要內容就是結合具體的模型、分析類型以及方法，對單元類型進行選擇［3］。單元類型對附加自由度具有決定性影響，在結構分析中，單元類型選擇受結構應力狀態的影響，需要對計算的準確性以及計算成本進行綜合考慮;第四，結合面建模，在有限元模型中，利用彈簧——阻尼單元對結合面進行模擬，為了對結合面法相以及切向剛度、阻尼準確的區別開來，需要對結合面觸點 X、Y、Z三個自由度上生成相應的COMBIN14單元，這樣，結合面以對接觸點兩個切向以及一個法向的剛度及阻尼模擬所需要的COMBIN14單元個數為三個;第五，劃分網格。有限元前期處理中一項重要工作就是劃分網格。網格劃分的好壞對計算結果的精準性以及速度等均具有決定性影響。通常情況下，增加網格數量可以提高計算精準度，但也會導致計算量的相應增加，因此，在確定網格數量時需要對相關因素予以綜合考慮。通常而言，在靜力分析時，若只是計算結構變形，不要求大量的網格數量;如果計算應力，在精度要求一致的情況下，要盡可能增加網格數量。

2 落地式鏜銑床實驗驗證

文章選取的落地式鏜銑床是中渤X2120，如圖1所示。

圖1 中渤X2120落地式鏜銑床

中渤X2120落地式鏜銑床的詳細計算參數如表1所示。

表1 中渤X2120落地式鏜銑床的詳細計算參數

(續表)

實驗模態分析技術是依照線性共振理論，利用動態檢測、參數識別以及數字信號處理等技術和手段，對系統進行識別。實踐中比較常見的試驗模態分析方法主要有穩態正弦激振模態實驗、隨機激振模態實驗以及脈沖激振模態實驗等三種實驗方法。利用實驗激勵設備針對機械結構開展激振，在獲取系統激勵及振動響應信號的基礎之上，依次開展數據處理、曲線擬合以及參數識別等工作，之后對結構系統動力特征相關模態參數進行計算，利用所構建的動態模型對結構動力學特征進行分析，以便對結構進行優化，確保結構質量分布的合理性，用盡可能少的原材料滿足構件剛度及強度等方面的要求。

模態特征實驗分析系統的主體結構由計算機充當，激勵系統、測量系統以及數據采集處理系統是三大主要組成部分。試驗模態分析系統硬件配置詳見圖2所示。

圖2 試驗模態分析系統硬件配置示意圖

測點振動用來表達模態振型圖，因此，要重視測點位置及分布密度的確定。要確保所選擇的測點位置能夠將結構幾何特性準確的反映出來;在選擇的測量點中包括感興趣的全部結構點;實驗頻段中全部模態變形特征以及模態間的變形的不同之處可以在變形之后十分明確的反映出來。

以機械結構大件構成為依據，可以將落地式鏜銑床劃分為立柱、主軸箱、方滑枕、鏜軸以及滑座等五個子結構。確定集合測點數量的主要依據是機床整機以及具體的結構件尺寸。為確保所獲取的實驗結果的準確性，要按照機床坐標系將加速度傳感器粘貼在立柱底部的X、Y、Z方向，充當參考點;為了對振動情況進行測試，需要在主軸箱、主軸以及方滑枕等部件的X、Y方向分別布置三點;整體鏜銑床共布置測試點三十個，選擇統一測點相同激勵多次采樣法，這樣所有測試點的每個測量方向所獲得的實測數據均不低于五次，這樣可以將隨機誤差控制在最低水平［4-5］。

在進行落地式鏜銑床實驗的過程中，因為測試系統對噪聲干擾信號敏感，所以，需要盡可能與干擾源保持一定距離，傳感器的安裝位置的溫度不能過高，風力和聲音不能過大;對所有激振點進行脈沖激振的過程中，要注意把控好錘擊方向及錘擊力度，如果錘擊力度不夠，就無法將感興趣頻率范圍中的全部頻率點的相應充分激發出來，如果錘擊力度過大，則可能造成系統非線性振動現象的發生或者導致測試儀過載;通常情況下，需要選擇表面較為堅固、沒有測量模態節點的位置安裝傳感器;還有就是要盡量不要連續多次的進行錘擊，防止導致分析結果誤差過大［6］。

因為關注的焦點為低階固有頻率，因此選擇時域積分法最為適宜。首先為了將低階固有頻率很好的展示出來，需要對加速信號進行轉化，得到相應的速度信號。通過對有限元計算結果和實驗結果進行比較分析，可知實驗所得整機固有頻率值和理論計算值之間的誤差不大，但第五階故有頻率屬于例外情況;計算所得模態數量與實驗所獲得的模態數量相比較而言，前者多于后者。導致計算結果和實驗結果之間存在誤差的原因大致可以歸結為以下幾點:第一，材料質量、密度以及彈性模量參數取值、邊界條件設置等均有一定程度誤差存在;第二，受實驗測點位置、激勵方向以及力錘材質等相關因素的影響，錘擊脈沖對固有頻率的激勵無法達到百分之百，有些振型是無法識別的;第三，對結合面剛度以及阻尼參數的計算需要進行大量運算，計算過程中的誤差也是無法避免的;最后，在對剛度及阻尼進行定義的過程中，沒有按照彈簧——阻尼單元數量、串聯以及并聯關系對結合面的剛度及阻尼進行合理分配。

3 落地式鏜銑床諧響應分析

諧響應分析就為明確隨時間的推移，線性結構承受的按正弦規律變化的荷載穩態相應的技術。對幾種頻率中結構的相應進行計算，得出響應值對頻率的曲線是諧響應分析的主要目的。

3.1 諧響應分析步驟

筆者在此選擇用模態疊加法進行諧響應分析，大致分為以下四步:

第一步，構建模型，主要涉及對單元類型及實常數進行定義、對材料屬性進行定義、幾何模型構建、有限元網格劃分等。需要提醒的是，首先，網格密度標準為感興趣的最高階振型能夠準確確定;再就是對應力及應變感興趣的區域和單純對位移進行考察的區域相比，前者的網格密度更高。

第二步，取得模態分析解。在此需要關注以下幾點:第一，要將對諧響應有貢獻的模態全部提取;第二，假如利用QR阻尼法，需要在前處理或者是模態分析階段指定希望包含的阻尼;第三，假如有必要施加簡諧變化單元荷載，要在模態分析過程中施加;最后，沒有必要對模態進行擴展。

第三步，取得模態疊加法諧響應解。首先，進入ANSYS求解器，選擇分析種類及選項;其次，將載荷施加到模型，明確隨時間按正弦規律變化的荷載是開展諧響應分析的前提;最后，確定載荷步選項。

第四步，對結果進行分析。一般常采取的處理順序為:先用POST26確定臨界強制頻率，也就是模型中最大位移對應的頻率，在此基礎之上利用POST1對模型進行處理。

3.2 諧響應結果分析

(1)X向激振力影響下落地式鏜銑床響應。通過對相關信號的加速度傳感器拾取，并且經過數模轉換之后，受X向簡諧激振力作用的影響，銑刀某觸點在X、Y、Z方向的動態響應詳見圖3所示(以下橫坐標是激振力的大小，縱坐標為動態位移幅值峰值)。

圖3 銑刀某觸點在X方向激振力振幅示意圖

從圖3中不難得出，銑刀某點受X方向激振力的影響，在第2、4、7、9四階X軸向動態位移故有頻率有峰值出現，其中，第二階固有頻率附近的位移幅值最大;Y向的動態位移幅值峰值出現在第2、10兩階;Z向動態位移幅值峰值則出現在第4及10階。根據模態分析變形圖，整機X向擺動出現在第2階，受X向激振力影響，在受激振動出現時，X向動態位移最大;第4階模態為繞Y向的扭轉振動，受X向激振力影響，受激振動發生時同樣會出現加大的位移。

(2)Y向激振力影響下落地式鏜銑床響應。受Y向激振力影響，銑刀某觸點在Y軸向位移幅值的峰值出現在第1及第10階故有頻率附近;X向的動態位移幅值峰值出現在第2、9兩階;Z向動態位移幅值峰值則出現在第1階。整機Z向擺動為第1階模態。

(3)Z向激振力影響下落地式鏜銑床響應。受Z向激振力影響，銑刀某觸點在Z軸向位移幅值的峰值出現在第1及第4階故有頻率附近;整機Z向擺動為第1階模態，受Z向激振力影響，在受激振動出現時，Z向動態位移最大;受Z向激振力影響，在受激振動出現時第4模態被激起，這樣Y向動態位移也比較大。

通過對鏜銑床的2種模型的固有頻率的計算值和實驗結果的比較，我們可以得到如表2所示的數據。

表2 鏜銑床2種模型的固有頻率計算值和實驗結果比較

4 結束語

文章依據ANSYS對中渤X2120落地式鏜銑床進行建模分析，在獲取中渤X2120落地式鏜銑床的基本參數的基礎上，依據ANSYS完成建模，然后通過ANSYS進行模擬分析。通過研究發現，本文的模態分析結果與實驗結果更接近，彈簧阻尼連接模型只有一階固有頻率與實驗結果的相對誤差較大，其余階次均滿足一般工程精度。可通過優化模型進一步提高一階固有頻率的精度。綜上所述，機床加工性能的要求隨著現代化科學技術的日益進步以及加工制造工藝的迅猛發展而不斷提高。筆者首先介紹了落地式鏜銑床有限元模型的構建，闡述了落地式鏜銑床實驗驗證及諧響應分析。

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Machine Harmonic Response Analysis Based on ANSYS X2120 Console Boring and Milling

WANG Jun1，MA Pei-hua2，GAO Yong-jiang2
(1.Wuhan Polytechnic，Wuhan 430074，China;2.China Chang Jiang Energy Corp.(Croup)，Wuhan 430074，China)

This article with the X2120 console boring and milling machine harmonic response analysis system as the main research object，using the finite element model analysis mode，through ANSYS software component the console boring and milling machine key parts and the finite element model of the structure，and modal characteristics of the main body of the experimental analysis system structure analysis，mainly divides into the computer as，incentive systems，measurement system，and the data acquisition and processing system is the three most of the modal analysis，using ANSYS10.0 software in X2120 console boring and milling machine harmonic response analysis，the conclusion that spring damping connection model only the first natural frequency and the experimental results of the relative error is bigger，the rest of the order will meet the general engineering time accuracy.But through the optimization model to further improve the precision of the first natural frequency.

console boring and milling machine;the finite element model;harmonic response analysis

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)11-0029-03

2012-06-06;

2012-08-21

王軍(1964—)，男，湖北荊門人，武漢職業技術學院教師，副教授，主要研究方向為數控加工技術，(E-mail)568861877@qq.com。

(編輯 李秀敏)