机床零件模态分析Word文档格式.docx

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4.2.3软轴弹性磨削工具系统模型模态分析

砂带轮支架材料为Q235，密度7800kg/m3，弹性模量21011Pa，泊松比」二0.3。

将模型导入ANSYSWorkbench中，进行模态分析。

分析流程如图4.3所示。

图4.3软轴弹性磨削工具系统简化模型模态分析流程

导入三维模型，如图4.6所示。

采用ANSYSWorkbench默认的单元类型（SOLID187、

SOLID186）对简化模型进行网格划分。

对于简化模型中尺寸较大的零件采用较大的网格划

分，单元体尺寸大小为15mm，网格划分的结果如图4.7所示。

整个模型一共划分178463个单元体、235016个节点。

图4.6导入实体图4.7网格划分

网格划分好后，对机床简化模型施加约束。

施加约束时，约束外力是接触论和叶片之间

的相互作用力，作用在接触轮上，方向指向接触轮的圆心。

将模态的阶数设置为6阶。

设置

好参数后求解，得到固有模态及相应的振型频率见表4.1所示。

本次分析取振动筛的前6阶固有频率，见表4.1,取振动筛的第1阶到第6阶的阵型图，见图4.8到图4.13。

表4.1振动筛前6阶固有频率值

阶数

固有频率值（HZ）

1

47.812

2

56.779

3

219.15

4

279.97

5

317.88

6

492.64

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图4.10第3阶振型图

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图4.11第4阶振型图

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图4.13第6阶振型图

由表4.1我们可以看出，振动筛的第1阶固有频率为47.812HZ，而第7阶固有频率为

56.779HZ，而软轴弹性磨削工具系统的工作频率为46HZ，小于第1阶固有频率，但是距离

它们较近，因此可能在工作频率附近发生共振，造成软轴弹性磨削工具系统不稳定等现象，因此软轴弹性磨削工具系统本身的动态性需要改进。

由图4.9到4.12我们可以看出软轴弹性磨削工具系统弹性体主要以弯曲振动和扭转振动为主。

其中第3阶振型图可以看出软轴弹性磨削工具系统支架发生弯曲振动，第4阶振型图

可以看出支架沿着Z方向的扭转振动。

综上所述，从整个振型图我们可以看出软轴弹性磨削工具系统支架的弯曲刚度低一些，所以，要对支架做结构做一些调整。

但是这些振型图只是对结构本身相对变化的一种分析，不能判断砂轮支架在受到外部载荷的情况下是否满足要求，因此，要想了解支架在激振力的

作用下的受力和位移情况，必须对其进行谐响应分析，了解软轴弹性磨削工具系统在工作频率下支架和砂带轮的位移情况和受力情况，判断它是否满足设计要求和工作要求。

4.3软轴弹性抛磨工具系统谐响应分析

当一定结构承受一外力，而这个外力是按正弦规律变化的动载荷，那么此时结构的稳态反应就称为谐响应分析［55］。

通过谐响应分析，可以求解出结构在多种不同频率作用下响应幅值对频率的曲线。

从得到的曲线上可以找到对应的“峰值”响应，并可以进一步观察峰值频

率相对应的应力。

这种技术只用于计算结构的稳态受迫振动，而不去考虑发生在激励开始时

的瞬态反应［56］。

谐响应分析使设计人员能够预测结构的持续动力特性，因此，可以以此为标准检验所设计的结构是否能够避开共振、疲劳以及其他有害的结果。

谐响应分析常用的方法有三种：

完全法，缩减法和模态叠加法。

完全法采用完整的系数矩阵和统一处理过程去计算所有的应力和位移，计算精度高，操

作方便。

但是完全法也有缺点，不能加载预应力。

缩减法采用主自由度和缩减系数矩阵来压缩问题的规模，当计算出主自由度上的位移时，再将其扩展到其他的自由度上，因此计算速度快，但计算精度低。

缩减法可以考虑预应

力，但不能施加温度、压力等单位载荷，并且所有的载荷必须加载在使用者自己定义的主自由度上。

模态叠加法是将模态分析得到的模态振型乘上参与因子并求和来计算结构响应的。

模态

提取的方法有分块法，子空间法，缩减法，动态功率法，QR阻尼法。

动态功率法不能加载

非零载荷和位移，缩减法施加载荷的位置必须在主自由度上，QR阻尼法必须在模态分析阶

段指明阻尼。

模态叠加法不需要扩展模态［54~57］。

无论哪种方法，谐响应分析所加的载荷都必须按照正弦规律变化，所有载荷的频率必须

相等，不允许有非线性特性。

谐响应分析是零部件结构分析中很重要的一环，借助于谐响应分析，可以检验设计人员

所设计的结构能否经受住不同频率的各种正弦载荷，并在必要时采取措施避免其发生。

本节

将对磨削机进行谐响应分析，预测磨削机在受迫振动条件下机床振动的幅值，为机床结构的

改进提供依据。

4.3.1软轴弹性磨削工具系统谐响应分析概念

由定义可得，谐响应分析假定所施加的载荷均随时间按正弦规律变化；

施加一个完整的

正弦波载荷一共需要输入3个值：

载荷幅值、相位角以及强制频率范围。

载荷幅值是指所施加载荷的最大值，在本机床上所施加的载荷是由于驱动轮、驱动轴等

（制造不精确，存在偏心质量）随伺服电机转动而产生的偏心力。

该偏心力的计算公式为：

F二mr■（4-1）

式中，

m:

驱动轮、驱动轴等驱动轴上转动件的偏心质量；

r:

驱动轮、驱动轴等转动件的偏心距离；

'

伺服电机的转动角速度；

在进行谐响应分析时，本文将偏心位移按0.1mm进行仿真分析。

将偏心距离代入式

（4-1），得到施加在机床上的简谐载荷的幅值为27.5—35.9N。

相位角是指载荷滞后（或领先）于参考时间的度量。

简化模型只涉及到一个简谐载荷，

所以相位角可以不指定。

强制频率范围指简谐载荷（以周/单位时间为单位）的频率范围。

谐响应分析中可施加的载荷，除惯性载荷不可施加外，可以在实体模型上施加的载荷有:

加速度载荷、压力载荷、力载荷、轴承力载荷、力矩载荷、位移载荷、远端力载荷、线压力

AWE（AYSYSWorkbenchEnvironment）中的结构谐响应分析是线性的，在软件分析中忽略了系统阻尼对结构自身振动的影响，而且任何所施加的静力载荷在谐响应分析中不予考虑。

4.3.2软轴弹性磨削工具系统谐响应分析过程

在进行谐响应分析时，同样采取机床床身固定和不固定两种方案对机床简化模型进行谐

响应分析。

材质属性、几何模型以及网格划分与模态分析时定义的相同。

施加载荷时，以磨

削工具系统支架的通孔内表面作为机床受力面，方向沿X轴方向，受力大小为42.9N。

机

床床身不固定时频率扫描范围设置为0-60Hz，频率扫描范围设为0-200Hz。

设置好参数后进行求解。

这里分别观察了不同位置在动载荷作用下，不同频率点的位移曲线。

表4.2软轴弹性磨削工具系统砂带轮偏移最大位移

阶次

频率/Hz

最大偏移量/mm

13.333

0.35708

26.667

0.43926

40

0.71828

53.333

1.280