基于ANSYS Workbench紋桿式滾筒模態(tài)分析

周艷生 張靜 李雪 岳建榮 夏廣寶 楊宛章

摘要：紋桿式滾筒工作環(huán)境及工作載荷比較復(fù)雜，在脫粒作業(yè)過(guò)程中可能因設(shè)計(jì)、操作不當(dāng)引起共振或諧振。采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)建模軟件對(duì)紋桿式脫粒滾筒進(jìn)行建模，導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行模態(tài)分析。分析結(jié)果表明：甘草種子脫粒所用的紋桿式脫粒滾筒安全可靠，不會(huì)引發(fā)共振等問(wèn)題而導(dǎo)致設(shè)備損壞，為種子脫粒機(jī)的樣機(jī)加工制造提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：紋桿式滾筒；ANSYS Workbench；設(shè)計(jì)；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：S226.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）03-0025-03

紋桿式滾筒是脫粒機(jī)械的重要組成部件之一，由脫粒滾筒完成脫粒的過(guò)程，從而獲得所需的谷粒、種子。因此，在設(shè)計(jì)脫粒滾筒時(shí)，不僅要考慮脫粒滾筒剛度與強(qiáng)度，還要考慮其需要滿足的動(dòng)態(tài)性能。相對(duì)于傳統(tǒng)的切流式脫粒滾筒，軸流式紋桿滾筒改變了脫粒方式，減小了對(duì)農(nóng)作物擊打力的作用強(qiáng)度。紋桿和釘齒焊接在滾筒上的軸流式脫粒滾筒在脫粒過(guò)程中，軸做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，物料在脫粒過(guò)程中還存在橫向運(yùn)動(dòng)。在加工制造和安裝過(guò)程中若精度不高，就會(huì)產(chǎn)生周期性的離心力，使脫粒滾筒軸產(chǎn)生彎曲變形振動(dòng)。離心力不僅會(huì)使谷粒、種子與脫粒機(jī)的凹板、紋桿發(fā)生碰撞，影響脫粒作業(yè)效果，還會(huì)使?jié)L筒上的釘齒紋桿徑向方向產(chǎn)生彎曲變形，使籽粒破碎率急增。當(dāng)脫粒紋桿滾筒作業(yè)時(shí)，若離心力產(chǎn)生的自激頻率與外在激勵(lì)頻率相接近甚至相同，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的共振現(xiàn)象。長(zhǎng)期共振會(huì)使紋桿滾筒和軸承座螺栓等設(shè)備牢固性減低，造成脫粒機(jī)械損壞。因此，有必要對(duì)脫粒滾筒的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析，為后面樣機(jī)的加工制作提供理論依據(jù)。

在設(shè)計(jì)軸流式紋桿滾筒的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYSWorkbench軟件對(duì)紋桿滾筒進(jìn)行模態(tài)分析，研究脫粒滾筒是否發(fā)生共振或諧振，并假設(shè)脫粒滾筒在最惡劣的工況下，對(duì)紋桿脫粒滾筒進(jìn)行瞬態(tài)分析，驗(yàn)證紋桿脫粒滾筒結(jié)構(gòu)是否可靠。

1 有限元模型的建立

軸流紋桿式滾筒主要由脫粒主軸、脫粒滾筒、固定支桿和紋桿等零件經(jīng)焊接而成，且主軸中間一段為空心管型結(jié)構(gòu)。為劃分網(wǎng)格方便和分析方便，在不影響分析結(jié)果的情況下，把螺紋桿簡(jiǎn)化為圓桿。橫軸流紋桿式脫粒滾筒的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.1 脫粒紋桿滾筒三維模型

用ANSYS軟件中的Workbench進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能分析，先建立三維模型。在ANSYS中建三維模型的常用方法有兩種：一種是直接在ANSYS軟件中運(yùn)用實(shí)體建模功能建立三維模型；另一種方法是運(yùn)用SolidWorks、ug、proe等三維設(shè)計(jì)造型軟件建立三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入ANSYS軟件中。結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或者在ANSYS中建立模型比較困難的零件設(shè)備適宜用第二種方法建模。由于紋桿式脫粒滾筒結(jié)構(gòu)稍微有點(diǎn)復(fù)雜，所以應(yīng)用SolidWorks軟件建立紋桿脫粒滾筒的三維模型，然后保存為Parasolid格式（文件后綴為.x_t）；再通過(guò)SolidWorks與ANSYS Workbench 的接口導(dǎo)入ANSYS Workbench平臺(tái)中或者在ANSYS Workbench中直接打開(kāi)，進(jìn)行紋桿滾筒的動(dòng)力學(xué)性能分析。紋桿式脫粒滾筒的三維建模圖如圖1所示。

在建模中對(duì)一些微小部位（如圓角、倒角等）進(jìn)行簡(jiǎn)化，但不會(huì)影響分析計(jì)算結(jié)果精度。

1.2 材料特性

設(shè)計(jì)的封閉軸流紋桿脫粒滾筒的全部材料均為45號(hào)鋼，材料的物理屬性如表2所示。

1.3 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格劃分是建立有限元模型分析的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格劃分效果的的優(yōu)劣將影響計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分的步驟主要包括：確定單元屬性；確定網(wǎng)格密度控制；網(wǎng)格劃分。在本分析中，選擇單元類型為Solid20node186，采用智能化劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖2。

2 模態(tài)分析

2.1 模態(tài)分析過(guò)程

模態(tài)是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，主要對(duì)構(gòu)件的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定了結(jié)構(gòu)對(duì)其他各種動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的情況，因此研究構(gòu)件時(shí)必須完成構(gòu)件模態(tài)分析。

模態(tài)分析的運(yùn)動(dòng)微分方程是：

[M]{}+[C]{}+[K]{U}={F（t）} （1）

其中：[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；U為系統(tǒng)各點(diǎn)的位移響應(yīng)向量；F（t）為系統(tǒng)各點(diǎn)的激勵(lì)力向量。

如果系統(tǒng)是自由的，阻尼與外力為0，式（1）可簡(jiǎn)化為：

[M]{}+[K]{U}=0 （2）

彈性物體的振動(dòng)是簡(jiǎn)諧諧運(yùn)動(dòng)的疊加，其數(shù)學(xué)解為：

U={X}ejwt （3）

把式（3）帶入式（2）得：

（[K]-w2[M]）{X}ejwt=0 （4）

解此方程組，當(dāng)方程系數(shù)行列式為0時(shí)，其有非0解，即：

[K]-w2[M]=0 （5）

該行列式稱為特征行列式。將它展開(kāi)可得到關(guān)于w的n次代數(shù)式，此式稱為系統(tǒng)頻率方程：

w2n+a1w2（n-1）+a2w2（n-2）+…+an-2w2+an=0 （6）

解方程（6）得出頻率方程的n個(gè)正實(shí)根，為固有頻率，認(rèn)定沒(méi)有重復(fù)解，因此可以由小到大排列為w12

根據(jù)實(shí)際工況和分析精度的需要，對(duì)滾筒主軸進(jìn)行半約束，即：對(duì)其一端進(jìn)行固定、一端限制部分位移，在該約束下對(duì)滾筒主軸的部位位移進(jìn)行限制，確保可以研究脫粒滾筒的變形情況。約束完成之后，在脫粒滾筒上完成載荷添加，研究部分部位的變形狀況。

2.2 模態(tài)分析的結(jié)果

通過(guò)ANSYS中worksbench分析，提取前10階的固有頻率和部分振型，結(jié)果如表3所示。

在10階振型里面，固有頻率在78～1063 Hz之間，紋桿滾筒固有頻率隨著振型階次的增加而不斷增加。表3中第7階和第8階固有頻率比較接近，第9階與第10階的固有頻率也比較接近。

前10階振型中主要是拉伸、擺動(dòng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)為主。紋桿滾筒能承受的最大載荷為16.30 Mpa，最小載荷5.8 Mpa。在第一階分析振型圖中能夠看到紋桿部位容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，長(zhǎng)時(shí)間大喂入量脫粒作業(yè)紋桿部位容易產(chǎn)生疲勞損壞。第4階支撐桿的彎曲兼軸向擺動(dòng)滾筒殼體和紋桿容易發(fā)生變形。從第7，8，9，10階振型圖看出螺紋桿中間部位已產(chǎn)生疲勞。

3 結(jié)論

1） 采用SolidWorks軟件建立紋桿式甘草種子脫粒滾筒的三維模型，然后導(dǎo)入ANSYSWorksbench中，分析前10階固有頻率及振型，對(duì)紋桿式滾筒易變形部位進(jìn)行探討。

2） 通過(guò)分析紋桿脫粒滾筒應(yīng)力和最大變形量都在允許的范圍內(nèi)，滾筒的結(jié)構(gòu)質(zhì)量基本上合理。為后邊的樣機(jī)加工制造提供理論支持。