基于UG的振動篩模態分析

崔聯合,張雙全

(江陰職業技術學院，江蘇 江陰 214405)

0 引言

用于熱熔斷體鼓簧分選和安裝的振動篩是熱熔斷體自動裝配線中的重要設備之一。如圖1所示，振動篩通過螺栓固定于U型座上，U型座由彈簧固定軸連接于支架上，U型座與支架之間安裝有四只減振彈簧，安裝于U型座底面的振動電機產生交變激振力使振動篩實現振動，以保證鼓簧通過振動篩篩孔裝入熱熔斷體鋁殼內。

1—振動篩；2—支架；3—U型座；4—彈簧固定軸；5—平墊片；6—彈簧墊片；7—螺母；8—減振彈簧；9—振動電機；10—平墊片；11—彈簧墊片；12—螺栓；12—連接螺栓圖1 熱熔斷體鼓簧振動機

從振動篩的實際工況可知，振動篩在交變載荷作用下易發生疲勞失效，通常振動篩的設計是建立在經驗和簡單的強度計算上的[1]，而運行中的振動篩發生振動現象常常是無法避免的，劇烈的振動不僅會造成振動篩發生共振或疲勞破壞，還會產生高頻的噪聲，因此對振動篩振動的研究與控制不僅可以延長振動篩的壽命，也可以保證操作人員的身心健康。

模態分析是對振動進行有效控制的手段之一。為了避免振動篩發生共振、噪聲過大等不良現象, 以保證振動篩安全可靠運行, 對振動篩振動的固有頻率、振型及動態特性進行研究具有重要的現實意義。通過對振動篩的模態頻率及振型分析可以預測振動篩發生相互影響的可能性,從而通過結構的合理設計避開共振頻率[2]。本文采用UG軟件建立振動篩結構件三維立體模型，然后利用UG自帶的有限元分析模塊對振動篩進行結構模態分析。

1 振動篩有限元模型的建立

模型材料為Q235，用UG庫材料Steel-Rolled代替，該材料楊氏模量E=206×103N/mm2，泊松比NUXY=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，屈服強度為235MPa，極限抗拉強度為340 MPa。為了確保網格劃分的精確性, 對建立的模型進行一定程度的簡化，略去所有的螺釘孔和螺釘以及固定用的螺栓，忽略所有圓角、倒角、內螺紋及振動篩側面固定孔。這樣可在保持計算精度的同時, 極大減少單元數量, 以提高計算速度[3]。在進行三維實體單元網格劃分時，對U型座采用3D四面體網格劃分，單元類型為CTETRA(10), 單元大小為15mm，模型共計17003個節點, 9034個單元；對振動篩也采用3D四面體網格劃分，單元類型為CTETRA(10), 單元大小為5mm，模型共計165136個節點, 87183個單元。圖2為振動篩及U型座有限元模型。

圖2 為振動篩及U型座有限元模型

2 振動篩自由模態分析

在振動篩的設計過程中，必須對其振動現象作研究。由于振動會造成結構的共振或疲勞，從而破壞結構，因此了解結構本身具有的剛度特性即結構的固有頻率和振型，就可避免在使用中因共振因素造成的不必要的損失。

模態分析主要用于確定結構的振動特性，比如固有頻率和對應的各階振型，它們是結構承受動載荷的重要參數，也是其他各類動力學分析的基礎，因此對振動篩進行模態分析是很有必要的。工程中的結構模態分析包括自由模態和工況模態兩種類型。自由模態分析是在較少考慮各種邊界約束條件下，所得到的結構件固有特性，因而，采用自由模態結構分析得到的結果和結論更有利于后續的對比分析和模型修正[4]。更為重要的一點是自由模態分析可以實現理論計算與試驗分析及工況模態分析的對比, 驗證有限元模型的精度, 為有限元模型的進一步修正提供有力的參考, 從而在修正的模型之上進一步進行結構優化設計和動態響應分析等[2]。在理論與實踐中均發現，結構的低階模態對結構的振動影響較大，在進行結構模態分析時，常常只需要知道前幾階固有頻率和振型，而不必求出全部固有頻率和振型，因此在本次計算中只提取了振動篩的前10階模態[5]。

圖3 自由模態位移云圖

用UG進行自由模態分析時，解算方案類型設為SEMODES103，U型座與支架之間設定為曲面-曲面膠合固定連接，在實數特征值抽取數據中選取Lanczos法選項，希望的模式數設定為10階。計算結果如表1和圖3所示，從表1可知，振動篩結構件第7階到第10階的固有頻率為646.4Hz到887.9Hz，呈逐步上升趨勢，振動篩及U型座前6階固有頻率接近0，自由模態振型為剛性體沿x、y、z方向的平動和繞x、y、z軸的轉動, 故不做分析，因此真正意義上的模態應該是從第7階開始的模態。圖3為振動篩結構件第7階到第10階自由模態位移云圖。從圖3可知，振動篩結構件第7階振型以z向振動為主, 振動篩篩底振幅較大，最大振幅為2.397mm; 第8階振型為x、z向振動, 振動篩結構件x方向振幅為0.4949mm; 第9階是扭轉振動, 最大振幅發生在U型架側壁; 第10階為z向振動,其振幅為2.28 mm。

表1 振動篩及U型座自由模態固有頻率及振型

3 振動篩工況模態分析

工況模態分析是考慮結構件在實際工作狀態時，在一定的邊界條件下, 對結構件分析所得的模態參數，它包含了邊界條件對其的影響, 特別是對于大型結構在外界激勵未知的情況下具有更重要的實用價值[4]。在自由模態分析的基礎上，進行工況條件下的結構模態分析。在分析過程中，在U型座底面設置約束條件，限制其x、y方向的平動和繞x、y、z軸轉動自由度，與振動篩結構件實際安裝條件接近[6]。解算方案設置及工況控制參數等選項與自由模態相同。在此工況下計算振動篩結構件固有頻率和模態振型，結合自由模態計算值，比較兩種模態下固有頻率和振型的差異。表2為振動篩結構件工況模態下其固有頻率及振型。圖4為振動篩結構件工況模態下其位移云圖。

表2 振動篩及U型座工況模態固有頻率及振型

圖4 工況模態位移云圖

從表2及圖4可知，振動篩結構件前3階固有頻率接近0，工況模態振型為剛體模態。從圖4可知，振動篩結構件第4階振型以z向振動為主, 振動篩篩底振幅最大為2.407mm; 第5階振型為x、z向振動, 振動篩結構件z方向振幅比較大; 第6階振型為z向振動,最大振幅為2.288mm; 第7階振型為扭轉振動變形; 第8階振型為y、z向振動，篩底最大振幅為2.208mm; 第9階振型也為y、z向振動，篩底最大振幅與第8階接近; 第10階振型為x、y、z向振動，最大振幅發生在振動篩側壁，其值為1.581mm。

比較表1和表2可知，工況模態下，結構件第4階固有頻率為648.4 Hz，而在自由模態下，結構件前6階固有頻率均接近0，可見當結構件被施加約束后，其固有頻率發生了巨大的變化；在工況模態下，結構件第4階固有頻率和振型與自由模態下的第7階固有頻率和振型幾乎一樣，第5階固有頻率和振型與自由模態下的第8階固有頻率和振型接近，而第6階固有頻率和振型與自由模態下的第10階固有頻率和振型相一致，這說明當結構件受到邊界條件約束后，結構件的固有頻率及振型均比自由模態下的固有頻率值要大。從以上的分析中可以推斷，對結構件進行自由模態分析是非常有必要的，它為結構件的工況模態分析提供了非常有意義的參考數據，并為結構件進行準確的工況模態分析和設計打下了基礎。在進行結構件設計時，一定要讓結構件的激勵頻率避免與其在兩種模態下的固有頻率相同或接近。

從表1、表2和已知條件可知，振動篩振動電機的激振頻率為16.7Hz，該值遠小于振動篩結構件在自由模態下和工況模態下的最小固有頻率值，因此，從理論上說，振動篩結構件在兩種模態下，均不會發生共振現象。

4 結語

1) 用UG軟件對振動篩結構件進行建模，并應用UG軟件自帶有限元分析模塊對振動篩結構件進行模態分析，通過自由模態分析和工況模態分析掌握了其在兩種模態下的固有頻率及其振型, 從而為振動篩結構件的設計與制造提供了非常有價值的參考數據。

2) 振動篩振動電機的激振頻率遠小于振動篩結構件在自由模態下和工況模態下的最小固有頻率值，因此，振動篩結構件不會發生共振現象。

[1] 余南輝,范吉軍,李詩龍.振動電機激振的振動篩有限元分析[J].糧食工程,2008,11:84-86.

[2] 朱軼,張代勝,陸昌年.半掛牽引車整車模態分析[J].噪聲與振動控制,2010,2(1):49-51.

[3] 郭志全,徐燕申,楊江天.基于FEM的新型運煤敞車的結構模態分析[J].機械強度, 2006, 28(6):919-922.

[4] 沈春根,王貴成,王樹林,等.UG NX7.0有限元分析入門與實例精講[M].北京：機械工業出版社,2011.

[5] 舒彪,喻道遠,王燈,等.采用UG、Hypermesh和Ansys的齒輪軸模態分析[J].現代制造工程,2012, 2 :71-73.

[6] 王義亮,謝友柏.四缸內燃機機體結構模態分析[J].內燃機學報, 2002, 20(1):75-78.