基于ANSYS的大余量機加工過程避免共振技術實踐

傅駿,盧萬強,陳博

摘要：為了在去除量在50%或以上的機械加工過程中避免共振，通過回溯企業質量管理體系數據，得到了加工機械在一定加工參數下的振動頻率范圍。運用ANSYS模態分析技術，通過研究改變夾具位置、大小和數量，得到了多種加工方案中的自振頻率和振型，采取措施避免共振，提高了產品一次合格率。

關鍵詞：ANSYS 模態分析 大余量 避免共振

0 引言

某民營企業主要業務為鋼鐵合金、銅合金的機械加工，根據技術員和工人師傅的生產經驗確定加工順序、加工參數、夾具位置和個數，在后續檢驗過程中，發現尺寸超標造成產品報廢，給企業帶來重大經濟損失和信譽損失。運用ANSYS模態分析技術，對提出的幾種方案進行優化，選擇避開產生共振的加工方案，大大提高了產品一次合格率。

1 基于ANSYS的模態分析技術

1.1 振動力學基礎

1.1.1 固有頻率。對n自由度的振動方程有，[M]{■}+[M]{X}={0}。要使A有不全為零的解，必須使其系數行列式等于零。于是得到該系統的頻率方程（或特征方程）。上式是關于p2的n次多項式，由它可以求出n個固有頻率（或稱特征值）。因此，n個自由度振動系統具有n個固有頻率。

1.1.2 主振型。由于系統的質量矩陣M是正定的，剛度矩陣K是正定的或半正定的，因此有p2=■≥0。A（i）為對應于pi的特征矢量。它表示系統在以pi的頻率作自由振動時，各物塊振幅的相對大小，稱之為第i階主振型，也稱固有振型或主模態。對于任何n自由度振動系統，總可以找到n個固有頻率和與之對應的n階主振型。

1.2 自振頻率的主要影響因素

1.2.1 剛度：剛度無窮大、連續分布、分段連續、集中剛度。一個復雜結構，通常是多種剛度模型的組合。結構內部壓力、軸向載荷、定軸旋轉等將引起附加剛度。

1.2.2 質量分布：質量分布的確定主要取決于所研究的對象與所采用的分析方法。總的原則是要盡量反映原結構的慣性力分布。慣性力對結構的動態特性影響很大，尤其是高頻。質量矩陣要能反映以下各種慣性力：剛體慣性力、離心負載與陀螺負載；變形體的分布慣性力。變形體的分布慣性力：連續質量分布模型、一致質量模型、集中質量模型。

1.2.3 邊界條件：結構的動態性能對邊界條件很敏感。振動模態是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態分析方法搞清楚了結構物在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態的特性，就可以預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。因此，模態分析是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。

1.3 模態分析技術

1.3.1 模態：模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以由計算或試驗分析取得，這樣一個計算或試驗分析過程稱為模態分析。

1.3.2 模態分析是研究結構動力特性的一種近代方法，是系統辨別方法在工程振動領域中的應用。這個分析過程如果是由有限元計算的方法取得的，則稱為計算模態分析；如果通過試驗將采集的系統輸入與輸出信號經過參數識別獲得模態參數，稱為試驗模態分析。

1.3.3 模態分析在防止共振方面的應用。根據模態頻率、模態振型、模態阻尼等模態參數，對被測結構進行直接的動態性能評估。對一般結構，要求模態遠離工作頻率，或工作頻率不落在某階模態的半功率寬帶內。對結構振型較大的振型，應使其不影響結構正常工作為佳。

1.4 ANSYS的模態分析

1.4.1 概述。ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，是現代產品設計中高級CAE工具之一。ANSYS的模態分析用于確定設計結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），即結構的固有頻率和振型，它們是承受動態載荷結構設計中的重要參數。

1.4.2 ANSYS模態分析操作步驟。①建模。模態分析的建模過程與其他分析類型的建模過程是類似的，主要包括定義單元類型、單元實常數、材料性質、建立幾何模型以及劃分有限元網格等基本步驟。②施加載荷和求解。包括指定分析類型、指定分析選項、施加約束、設置載荷選項，并進行固有頻率的求解等。③擴展模態。如果要在POSTI中觀察結果，必須先擴展模態，即將振型寫入結果文件。過程包括：重新進入求解器、激活擴展處理及其選項、指定載荷步選項、擴展處理等。④查看結果。模態分析的結果包括結構的頻率、振型、相對應力和力等。

2 基于ANSYS的大余量機加工過程避免共振技術

2.1 機械加工過程中避免共振概述

2.1.1 強迫振動與自激振動。機械加工過程中振動分為強迫振動和自激振動。

強迫振動產生的原因分為機內振源和機外振源兩大類。機械加工過程中的強迫振動，只要干擾力存在，其不會被衰減、強迫振動的頻率等于干擾力的頻率、在干擾力頻率不變的情況下，干擾力的幅值越大，強迫振動的幅值將隨之增大。減少強迫振動的途徑：對工藝系統中的回轉零件進行動平衡處理、提高工藝系統中傳動件的精度以減小沖擊、提高工藝系統的剛度、隔振：隔離機外振源對工藝系統的干擾。

自激振動是機械加工過程中，在沒有周期性外力作用下，由系統內部激發反饋產生的周期性振動。自激振動的特征是維持自激振動的能量來自機床電動機、自激振動的頻率接近于系統的某一固有頻率、自激振動卻不因有阻尼存在而衰減為零。

2.1.2 控制機械加工振動的途徑。①消除或減弱產生強迫振動的條件：減小機內外干擾力、調整振源頻率、采取隔振措施。②消除或減弱產生自激振動的條件：減小重疊系數、減小切削剛度、增加切削阻尼、調整振動系統小剛度主軸的位置。③采用各種消振裝置。

2.2 基于ANSYS模態分析技術的自振頻率和振型的影響因素分析

理論分析表明，質量減小、剛度增加將會提高自振頻率，反之亦然。運用ANSYS模態分析技術研究了截面形狀面積減小、改變裝夾的自振頻率和振型。

2.2.1 加工過程中，截面形狀面積減小（質量減小）頻率并不一定總是增加的。這是因為隨著加工的進行，改變了質量分布以及部分節點可能會失去裝夾（減小了剛度），反而會減小自振頻率。

裝夾位置、個數和大小的改變將直接影響頻率。這是因為裝夾的個數越多、裝夾面積越大相當于增加了剛度故而頻率增加。

2.2.2 自振振型分析。需要指出的是，ANSYS模態分析的結果振幅只是理論位移，不是真實位移大小，但指出了在外力（諧響應、周期、隨機載荷）作用下變化的趨勢，為人們采取措施提供了思路。

質量分布不同、裝夾的不同，將造成振型直接變化。振幅的最大位置也很不相同。

2.2.3 模態分析結果對制訂加工工藝的影響。隨著加工的進行，質量減小，但部分節點可能失去裝夾造成剛度減小，所以加工過程中，頻率到底是增加還是減小、振型如何變化、最大振幅出現在哪個區域，僅憑經驗無法獲得準確結果。當然，增加裝夾個數和尺寸，則剛度越大，頻率增加，振幅越小。但是在企業實際過程中，必須考慮到改變加工位置、走刀、工時問題。綜上所述，憑經驗制訂加工工藝是不可靠的，有必要給予ANSYS進行模態分析提供正確的結果以指導生產。

2.3 避免共振技術的實際應用

應用以上技術，對該民營企業承擔加工系列大余量產品進行了多種方案進行基于ANSYS的模態分析，提出了合理的工藝方案，獲得了成功。

2.3.1 加工機械振動頻率的獲得。該企業有著良好的質量保證體系，對產生廢品的工藝參數進行了詳細記錄。工藝小組回溯了部分加工工藝，對產生尺寸偏差的加工工藝狀態下的零件進行了基于ANSYS的模態分析。經過大量數據分析，得出了加工機械在某種切削狀態下的振動頻率范圍。

原理是，利用ANSYS對（產生了尺寸偏差的）零件進行模態分析，得到該加工參數（刀具旋轉速度、進給量等）狀態下的加工機械自振頻率范圍。通過對數據進行基于MatLab的擬合處理，得到了加工機械與加工零件之間質量的振動頻率函數關系，并以此建立了相關數學模型。

2.3.2 實例。某次加工任務的零件材質為合金鋼。零件外形尺寸為1600*617*518。結合其他因素考慮，選用尺寸為1650*650*580毛坯進行機加工。加工過程中零件質量從約5.85噸加工到約2.32噸，去除量達到55%左右。

優選加工工藝方案的目的是，通過改變夾具的個數、位置、大小，使加工過程中零件的自振頻率避開加工機械的振動頻率范圍。

在分析過程中，采用UGNx進行三維建模，保存為x_t格式，在ANSYS中通過ParaSolid格式導入進行分析。充分利用了APDL，則可自動運行一些重復性的工作，如定義物性參數、導入模型、網格劃分等。

比較了該零件多個加工工藝方案，確定了最終加工方案。該零件兩個加工工序見圖1。

加工結果證明，基于ANSYS模態分析的工藝方案正確，工時量合理，一次加工成功。

3 結束語

理論分析表明，質量減小將會提高自振頻率，反之亦然。裝夾的個數越多、裝夾面積越大相當于增加了剛度故而頻率增加。ANSYS模態分析結果表明，隨著加工的進行，質量減小，但部分節點可能失去裝夾造成剛度減小，故加工過程中頻率到底是增加還是減小、振型如何變化、最大振幅出現在哪個區域，僅憑經驗無法獲得準確結果，憑經驗制訂加工工藝是不可靠的，有必要基于ANSYS進行模態分析提供正確的結果以指導生產。

參考文獻：

[1]劉晶波，杜修力.結構動力學[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]王建江，胡仁喜等.ANSYS11結構域熱力學有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]白金澤，孫秦，郭英男.應用ANSYS進行復雜結構應力分析[J].機械科學與技術，2003（03）.

基金項目：

1.德陽市金橋工程“基于ANSYS的大余量機加工過程避免共振技術推廣”（德金橋【2013】3號）。

2.四川工程職業技術學院“三維泡沫實型澆注驗證鑄造工藝的應用研究”。

作者簡介：

傅駿（1973-），男，四川工程職業技術學院材料工程系，教授，教研室主任，四川大學博士研究生。