基于UG的振動(dòng)篩模態(tài)分析

崔聯(lián)合,張雙全

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)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(dòng)篩是熱熔斷體自動(dòng)裝配線中的重要設(shè)備之一。如圖1所示，振動(dòng)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(dòng)電機(jī)產(chǎn)生交變激振力使振動(dòng)篩實(shí)現(xiàn)振動(dòng)，以保證鼓簧通過振動(dòng)篩篩孔裝入熱熔斷體鋁殼內(nèi)。

1—振動(dòng)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(dòng)電機(jī)；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(dòng)機(jī)

從振動(dòng)篩的實(shí)際工況可知，振動(dòng)篩在交變載荷作用下易發(fā)生疲勞失效，通常振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)是建立在經(jīng)驗(yàn)和簡單的強(qiáng)度計(jì)算上的[1]，而運(yùn)行中的振動(dòng)篩發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象常常是無法避免的，劇烈的振動(dòng)不僅會(huì)造成振動(dòng)篩發(fā)生共振或疲勞破壞，還會(huì)產(chǎn)生高頻的噪聲，因此對(duì)振動(dòng)篩振動(dòng)的研究與控制不僅可以延長振動(dòng)篩的壽命，也可以保證操作人員的身心健康。

模態(tài)分析是對(duì)振動(dòng)進(jìn)行有效控制的手段之一。為了避免振動(dòng)篩發(fā)生共振、噪聲過大等不良現(xiàn)象, 以保證振動(dòng)篩安全可靠運(yùn)行, 對(duì)振動(dòng)篩振動(dòng)的固有頻率、振型及動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過對(duì)振動(dòng)篩的模態(tài)頻率及振型分析可以預(yù)測振動(dòng)篩發(fā)生相互影響的可能性,從而通過結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)避開共振頻率[2]。本文采用UG軟件建立振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件三維立體模型，然后利用UG自帶的有限元分析模塊對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。

1 振動(dòng)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(qiáng)度為235MPa，極限抗拉強(qiáng)度為340 MPa。為了確保網(wǎng)格劃分的精確性, 對(duì)建立的模型進(jìn)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(nèi)螺紋及振動(dòng)篩側(cè)面固定孔。這樣可在保持計(jì)算精度的同時(shí), 極大減少單元數(shù)量, 以提高計(jì)算速度[3]。在進(jìn)行三維實(shí)體單元網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)U型座采用3D四面體網(wǎng)格劃分，單元類型為CTETRA(10), 單元大小為15mm，模型共計(jì)17003個(gè)節(jié)點(diǎn), 9034個(gè)單元；對(duì)振動(dòng)篩也采用3D四面體網(wǎng)格劃分，單元類型為CTETRA(10), 單元大小為5mm，模型共計(jì)165136個(gè)節(jié)點(diǎn), 87183個(gè)單元。圖2為振動(dòng)篩及U型座有限元模型。

圖2 為振動(dòng)篩及U型座有限元模型

2 振動(dòng)篩自由模態(tài)分析

在振動(dòng)篩的設(shè)計(jì)過程中，必須對(duì)其振動(dòng)現(xiàn)象作研究。由于振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)的共振或疲勞，從而破壞結(jié)構(gòu)，因此了解結(jié)構(gòu)本身具有的剛度特性即結(jié)構(gòu)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(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，比如固有頻率和對(duì)應(yīng)的各階振型，它們是結(jié)構(gòu)承受動(dòng)載荷的重要參數(shù)，也是其他各類動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，因此對(duì)振動(dòng)篩進(jìn)行模態(tài)分析是很有必要的。工程中的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析包括自由模態(tài)和工況模態(tài)兩種類型。自由模態(tài)分析是在較少考慮各種邊界約束條件下，所得到的結(jié)構(gòu)件固有特性，因而，采用自由模態(tài)結(jié)構(gòu)分析得到的結(jié)果和結(jié)論更有利于后續(xù)的對(duì)比分析和模型修正[4]。更為重要的一點(diǎn)是自由模態(tài)分析可以實(shí)現(xiàn)理論計(jì)算與試驗(yàn)分析及工況模態(tài)分析的對(duì)比, 驗(yàn)證有限元模型的精度, 為有限元模型的進(jìn)一步修正提供有力的參考, 從而在修正的模型之上進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析等[2]。在理論與實(shí)踐中均發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時(shí)，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(jì)算中只提取了振動(dòng)篩的前10階模態(tài)[5]。

圖3 自由模態(tài)位移云圖

用UG進(jìn)行自由模態(tài)分析時(shí)，解算方案類型設(shè)為SEMODES103，U型座與支架之間設(shè)定為曲面-曲面膠合固定連接，在實(shí)數(shù)特征值抽取數(shù)據(jù)中選取Lanczos法選項(xiàng)，希望的模式數(shù)設(shè)定為10階。計(jì)算結(jié)果如表1和圖3所示，從表1可知，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)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(dòng)篩及U型座前6階固有頻率接近0，自由模態(tài)振型為剛性體沿x、y、z方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng), 故不做分析，因此真正意義上的模態(tài)應(yīng)該是從第7階開始的模態(tài)。圖3為振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件第7階到第10階自由模態(tài)位移云圖。從圖3可知，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件第7階振型以z向振動(dòng)為主, 振動(dòng)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(dòng), 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件x方向振幅為0.4949mm; 第9階是扭轉(zhuǎn)振動(dòng), 最大振幅發(fā)生在U型架側(cè)壁; 第10階為z向振動(dòng),其振幅為2.28 mm。

表1 振動(dòng)篩及U型座自由模態(tài)固有頻率及振型

3 振動(dòng)篩工況模態(tài)分析

工況模態(tài)分析是考慮結(jié)構(gòu)件在實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)，在一定的邊界條件下, 對(duì)結(jié)構(gòu)件分析所得的模態(tài)參數(shù)，它包含了邊界條件對(duì)其的影響, 特別是對(duì)于大型結(jié)構(gòu)在外界激勵(lì)未知的情況下具有更重要的實(shí)用價(jià)值[4]。在自由模態(tài)分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工況條件下的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。在分析過程中，在U型座底面設(shè)置約束條件，限制其x、y方向的平動(dòng)和繞x、y、z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，與振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件實(shí)際安裝條件接近[6]。解算方案設(shè)置及工況控制參數(shù)等選項(xiàng)與自由模態(tài)相同。在此工況下計(jì)算振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件固有頻率和模態(tài)振型，結(jié)合自由模態(tài)計(jì)算值，比較兩種模態(tài)下固有頻率和振型的差異。表2為振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件工況模態(tài)下其固有頻率及振型。圖4為振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件工況模態(tài)下其位移云圖。

表2 振動(dòng)篩及U型座工況模態(tài)固有頻率及振型

圖4 工況模態(tài)位移云圖

從表2及圖4可知，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件前3階固有頻率接近0，工況模態(tài)振型為剛體模態(tài)。從圖4可知，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件第4階振型以z向振動(dòng)為主, 振動(dòng)篩篩底振幅最大為2.407mm; 第5階振型為x、z向振動(dòng), 振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件z方向振幅比較大; 第6階振型為z向振動(dòng),最大振幅為2.288mm; 第7階振型為扭轉(zhuǎn)振動(dòng)變形; 第8階振型為y、z向振動(dòng)，篩底最大振幅為2.208mm; 第9階振型也為y、z向振動(dòng)，篩底最大振幅與第8階接近; 第10階振型為x、y、z向振動(dòng)，最大振幅發(fā)生在振動(dòng)篩側(cè)壁，其值為1.581mm。

比較表1和表2可知，工況模態(tài)下，結(jié)構(gòu)件第4階固有頻率為648.4 Hz，而在自由模態(tài)下，結(jié)構(gòu)件前6階固有頻率均接近0，可見當(dāng)結(jié)構(gòu)件被施加約束后，其固有頻率發(fā)生了巨大的變化；在工況模態(tài)下，結(jié)構(gòu)件第4階固有頻率和振型與自由模態(tài)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(tài)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(tài)下的第10階固有頻率和振型相一致，這說明當(dāng)結(jié)構(gòu)件受到邊界條件約束后，結(jié)構(gòu)件的固有頻率及振型均比自由模態(tài)下的固有頻率值要大。從以上的分析中可以推斷，對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行自由模態(tài)分析是非常有必要的，它為結(jié)構(gòu)件的工況模態(tài)分析提供了非常有意義的參考數(shù)據(jù)，并為結(jié)構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確的工況模態(tài)分析和設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，一定要讓結(jié)構(gòu)件的激勵(lì)頻率避免與其在兩種模態(tài)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(dòng)篩振動(dòng)電機(jī)的激振頻率為16.7Hz，該值遠(yuǎn)小于振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件在自由模態(tài)下和工況模態(tài)下的最小固有頻率值，因此，從理論上說，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件在兩種模態(tài)下，均不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

4 結(jié)語

1) 用UG軟件對(duì)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件進(jìn)行建模，并應(yīng)用UG軟件自帶有限元分析模塊對(duì)振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件進(jìn)行模態(tài)分析，通過自由模態(tài)分析和工況模態(tài)分析掌握了其在兩種模態(tài)下的固有頻率及其振型, 從而為振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)與制造提供了非常有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

2) 振動(dòng)篩振動(dòng)電機(jī)的激振頻率遠(yuǎn)小于振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件在自由模態(tài)下和工況模態(tài)下的最小固有頻率值，因此，振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)件不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象。

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