基于ANSYS的高速旋轉(zhuǎn)圓盤預(yù)應(yīng)力與模態(tài)分析

林森海，張文輝，陳榮昌，江　潔，葉曉平

(1.浙江斯凱瑞機(jī)器人股份有限公司，浙江 麗水 323000；2.麗水學(xué)院 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 麗水 323000)

基于ANSYS的高速旋轉(zhuǎn)圓盤預(yù)應(yīng)力與模態(tài)分析

林森海1，張文輝2，陳榮昌1，江潔2，葉曉平2

(1.浙江斯凱瑞機(jī)器人股份有限公司，浙江 麗水 323000；2.麗水學(xué)院 工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 麗水 323000)

摘要：高速旋轉(zhuǎn)圓盤是旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的基本構(gòu)件，在自動(dòng)化裝備中應(yīng)用廣泛。筆者對(duì)高速旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力分析，結(jié)果表明圓盤在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下力學(xué)特性表現(xiàn)出顯著的非線性特性，與低速和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，呈現(xiàn)迥異的力學(xué)性能。特別是中心空孔處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，極易引起劇振進(jìn)而斷裂失效。鑒于此，文中進(jìn)一步對(duì)高速旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)振型分析獲得適合的工作頻率，避免共振影響。

關(guān)鍵詞：高速旋轉(zhuǎn)圓盤；有限元；預(yù)應(yīng)力分析；模態(tài)分析

圓盤是旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置中最典型的基本結(jié)構(gòu)元件，廣泛應(yīng)用于各類自動(dòng)化及機(jī)電設(shè)備中[1]。當(dāng)內(nèi)部充滿液體的圓盤在轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)下同步高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)表現(xiàn)出與圓盤在非旋轉(zhuǎn)或低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下迥異的流體力學(xué)性能[2-3]。高速旋轉(zhuǎn)薄片刀具通常指鋸片式銑刀、砂輪片和鋸片,它們?cè)诠璨牧稀?fù)合材料和木材等加工中具有重要作用。由于被加工材料的貴重性和加工質(zhì)量的要求, 要求旋轉(zhuǎn)加工刀具的厚度越來(lái)越薄, 旋轉(zhuǎn)速度也越來(lái)越高。

ANSYS軟件是當(dāng)前國(guó)際上通用的大型有限元分析軟件，在工業(yè)、化工、航空航天、電子能源、土木建筑等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。ANSYS功能強(qiáng)大，仿真精度高，目前已成為國(guó)際最流行的有限元分析軟件，在歷年的有限元分析評(píng)比中都名列第一[4-6]。

本文基于ANSYS軟件對(duì)高速旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力分析，結(jié)果表明圓盤在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下力學(xué)特性表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特性，與低速和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，呈現(xiàn)迥異的力學(xué)性能，特別是中心空孔處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，極易引起劇振導(dǎo)致斷裂失效。鑒于此，文中進(jìn)一步對(duì)高速旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)振型分析獲得適合的工作頻率，避免共振影響。

1高速旋轉(zhuǎn)圓盤有限元模型建立

高速旋轉(zhuǎn)圓盤的軸孔處完全約束，定義材料及尺寸參數(shù)如下：

①性模量為2.07e11 N/m2；

②泊松比為0.3，密度7 800 kg/m3；

③旋轉(zhuǎn)速度115 rad/s；

④圓盤φ525 mm，中孔φ55，厚0.03 mm。

采用國(guó)際通用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行研究，具體步驟為[7-9]：

1)定義建模類型。分析類型定義為結(jié)構(gòu)建模，即Structure選項(xiàng)。

2)選擇建模類型。在有限元分析類型Element Type中選擇“殼”類型。

3)定義材料屬性。定義Structure、Linear、Elastic、Isotropic。輸入彈性模量2.07e11，泊松比0.3，材料密度7 800 kg/m3。

4)建立幾何圖形。完成布爾減運(yùn)算后，模型建立如圖1所示。

圖1　圓盤參數(shù)化建模

5) 劃分網(wǎng)格模型。利用ANSYS的Mesh Tool命令進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2　圓盤有限元模型建模

2高速旋轉(zhuǎn)圓盤預(yù)應(yīng)力分析

對(duì)有限元模型進(jìn)行預(yù)應(yīng)力求解分析，具體步驟為：1)首先對(duì)其定義力學(xué)分析類型為Static分析；2)施加約束與載荷位于圓盤中孔處；3)進(jìn)而選擇求解器Solution Controls求解。求解后的應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D分別如圖3和圖4所示。

圖3　高速圓盤應(yīng)變?cè)茍D

圖4　高速圓盤應(yīng)力云圖

3高速旋轉(zhuǎn)圓盤模態(tài)分析

對(duì)高速旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行模態(tài)分析，具體步驟為：

選擇Model Analysis命令進(jìn)行分析，選擇Solution解算器進(jìn)行結(jié)算，得到高速旋轉(zhuǎn)圓盤前三階模態(tài)的應(yīng)變?nèi)鐖D5所示。

a)一階模態(tài)應(yīng)變圖

b)二階模態(tài)應(yīng)變圖

c)三階模態(tài)應(yīng)變圖

由圖5可以看出，固有頻率不同，應(yīng)變值不同，且隨著固有頻率增大，應(yīng)變出現(xiàn)遞增趨勢(shì)。當(dāng)頻率達(dá)到257 Hz時(shí)，此時(shí)應(yīng)變最大，達(dá)到0.215。

利用ANSYS的模態(tài)解算器進(jìn)行結(jié)算，獲得高速旋轉(zhuǎn)圓盤前三階模態(tài)的振型如圖6所示。

a)一階模態(tài)振型圖

b)二階模態(tài)振型圖

c)三階模態(tài)振型圖

振型是指結(jié)構(gòu)體系的一種固有的特性。它與固有頻率相對(duì)應(yīng)，為所對(duì)應(yīng)的固有頻率體系的自身振動(dòng)的形態(tài)，每一階固有頻率都對(duì)應(yīng)一種振型。由圖6可以看出，隨著頻率增大，其振動(dòng)形態(tài)變化呈現(xiàn)激烈趨勢(shì)。

4結(jié)論

高速旋轉(zhuǎn)圓盤是旋轉(zhuǎn)機(jī)械裝置的基本構(gòu)件，在各類自動(dòng)化及機(jī)電裝備中應(yīng)用廣泛。本文對(duì)高速旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行了預(yù)應(yīng)力分析，結(jié)果表明圓盤在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下力學(xué)特性表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性特性，與低速和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，呈現(xiàn)迥異的力學(xué)性能。特別是中心空孔處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，極易引起劇振進(jìn)而斷裂失效。鑒于此，文中進(jìn)一步對(duì)高速旋轉(zhuǎn)圓盤進(jìn)行了模態(tài)分析，通過(guò)振型分析獲得適合的工作頻率，避免共振影響。

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(責(zé)任編輯：張凱兵)

收稿日期：2016-03-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)(2013BAC16B02)

作者簡(jiǎn)介：林森海(1967-)，男，浙江青田人，浙江斯凱瑞機(jī)器人股份有限公司高級(jí)工程師，博士。

中圖分類號(hào)：TD421

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-4824(2016)03-0084-03

張文輝(1980-)，男，河南正陽(yáng)人，麗水學(xué)院工程與設(shè)計(jì)學(xué)院副教授，博士。