基于ANSYS Workbench12的床身模態(tài)分析

何 俊 賴玉活 唐清春 房學(xué)明 沈玲玲

(1、廣西工學(xué)院機(jī)械工程系，廣西 柳州 545006 2、柳州市數(shù)控機(jī)床研究所，廣西 柳州545007)

引言

ANSYS Workbench12是 ANSYS求解實(shí)際問(wèn)題的新一代產(chǎn)品。ANSYS Workbench12不僅融合了豐富的幾何和網(wǎng)絡(luò)劃分技術(shù)，更重要的是它提供了 Windows風(fēng)格的友好界面、與CAD的無(wú)縫接口技術(shù)、新一代的參數(shù)化建模工具，和領(lǐng)先的優(yōu)化技術(shù)，保證了最好的CAE結(jié)果。ANSYS Workbench12功能強(qiáng)大，適用領(lǐng)域廣泛 ，除了可進(jìn)行靜力分析之外 ，還提供了強(qiáng)大的動(dòng)力分析工具，可以很方便地進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析等各種動(dòng)力學(xué)分析。機(jī)床床身是機(jī)床的重要支承部件，其動(dòng)態(tài)性能將直接影響到機(jī)床的加工精度及生產(chǎn)效率。為保證機(jī)床高效、高精度的設(shè)計(jì)要求，機(jī)床床身必須具有足夠的動(dòng)靜態(tài)剛度。本文應(yīng)用ANSYS Workbench12有限元軟件對(duì)某數(shù)控車床床身進(jìn)行模態(tài)分析，得到床身的固有頻率及振型，并對(duì)改善床身動(dòng)態(tài)特性改進(jìn)提出措施。

1 模態(tài)分析理論

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。這些模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或試驗(yàn)分析取得，這樣一個(gè)計(jì)算或試驗(yàn)分析過(guò)程稱為模態(tài)分析。對(duì)于N個(gè)自由度多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，它的無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程可以表示為：

其中[M].[K].{u(t)}分別為質(zhì)量矩陣、剛度矩陣、和響應(yīng)向量。 由于自由振動(dòng)可以分解為一系列簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加，因此可將上式解表示為：

式中ω為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的固頻率，{準(zhǔn)}為節(jié)點(diǎn)位移振幅列向量。將上式帶入式（1）并消去因子 ejωt可得：

2 模態(tài)分析過(guò)程

2.1 有限元模型建立

圖1 床身有限元模型

ANSYSWorkbench12和三維軟件UG具有直接的雙向接口,可以在UG中建立三維模型后直接打開(kāi)ANSYSWorkbench12進(jìn)行有限元分析。建模盡量將模型簡(jiǎn)化，與實(shí)際接近。各處過(guò)渡圓角、銷孔、尖角均忽略。床身有限元模型如圖1所示：

床身材料為HT350，彈性模量E=1.45×105MPa，密度 P：7300kg/m，泊松比 t=0.27。在ANSYSWorkbench12采用四面體網(wǎng)格自動(dòng)劃分，得到模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為79835，單元數(shù)為43472。

2.2 模態(tài)分析結(jié)果

在進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，采用有限元ANSYS分析軟件的Lanczos模態(tài)提取方法，求取床身的自由模態(tài)。由于低階振型對(duì)模型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，對(duì)模型的動(dòng)態(tài)特性起著重要的作用。計(jì)算得到床身的前6階固有頻率和振型情況如表1所示：

表1 機(jī)床床身前6階固有頻率及相應(yīng)振型

床身各階固有頻率對(duì)應(yīng)的固有振型如圖3：

圖3 床身前6階固有振型圖

從前6階固有頻率可以看出，床身的固有頻率都比較低尤其是第一階比較低，前四階振型為整體振型，這是由于床身整體結(jié)構(gòu)的剛度較好，但從第五階起出現(xiàn)了局部振型，尤其是前后側(cè)面出現(xiàn)了凸振，綜合分析得出：機(jī)床床身整體固有頻率比較低，第5階是主要的薄弱模態(tài)。局部振型表明該床身局部剛度較低，組成床身各部位結(jié)構(gòu)存在剛度不均的現(xiàn)象，其主要原因可能是構(gòu)成床身的各部位材料分布不合理、加強(qiáng)筋分布不合理、壁厚不均、床身截面形狀不規(guī)格等。所以有必要對(duì)該床身的各部分壁厚及筋板布置重新設(shè)計(jì)，使局部剛度得到提高。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)床身有限元分析求得低階模態(tài)參數(shù)從而檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性；（2）通過(guò)對(duì)床身的模態(tài)分析可很直觀地表明產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性和薄弱環(huán)節(jié)，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直接的理論分析依據(jù)；（3）通過(guò)對(duì)床身的模態(tài)分析可以成為機(jī)床故障診斷的一個(gè)有效方法。如根據(jù)振型的分析可以確定斷裂的位置。

[1]劉曉東 ，尹志宏 ，林天清 ，張明旭.ANSYS WORKBENCH集成研發(fā)平臺(tái)下的機(jī)床床身有限元分析[J].現(xiàn)代機(jī)械 2008（6）1-2.

[2]齊有軍，程珩，楊高宏.基于ANSYS WORK BENCH的齒輪箱體固有特性分析 [J].煤礦機(jī)電 2009（1）.40-42.

[3]潘繼生，梁錫昌，等.基于ANSYS WORKBE NCH的新型濾波減速器模態(tài)分析[J].機(jī)床與液壓，2009(7).183-185,201.

[4]康方,范晉偉.基于ANSYS的數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2008(7).181-182.