王 軍，馬培花，高永江

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430074;2.中國長江動力公司(集團)，武漢 430074)

基于ANSYS的X2120落地式鏜銑床諧響應(yīng)分析

王 軍1，馬培花2，高永江2

(1.武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430074;2.中國長江動力公司(集團)，武漢 430074)

文章以X2120落地式鏜銑床諧響應(yīng)系統(tǒng)分析為主要研究對象，采用了有限元模型分析方式，通過ANSYS軟件構(gòu)建了落地式鏜銑床關(guān)鍵零件以及組合結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進行模態(tài)特征實驗分析系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)分析，主要分為計算機激勵系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三大部分的模態(tài)分析，利用ANSYS10.0軟件開展X2120落地式鏜銑床諧響應(yīng)分析，結(jié)果表明彈簧阻尼連接模型只有一階固有頻率與實驗結(jié)果的相對誤差較大，其余階次均滿足一般工程精度。可通過優(yōu)化模型進一步提高一階固有頻率的精度。

ANSYS;落地式鏜銑床;有限元模型;諧響應(yīng)分析

0 引言

機床的加工性能取決于機床的動態(tài)性能，機床結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能對機床的加工精度、切削效率、切削的穩(wěn)定性和可靠性有很大的影響，目前它己經(jīng)成為衡量機床結(jié)構(gòu)性能好壞的非常重要的指標(biāo)。不斷進步的科學(xué)技術(shù)水平以及加工工藝，要求機床加工性能相應(yīng)提高。高效率、高質(zhì)量以及環(huán)保是當(dāng)前機械切削加工發(fā)展的整體方向，在切削加工中十分常見的振動問題對提升機械加工水平有著制約性影響。

1 有限元模型的構(gòu)建

在此部分第一，對建模方法進行選擇。實體建模以及直接生成是ANSYS建立模型的兩大方法。實體建模，要對模型幾何邊界進行描述［1］，控制單元形狀及大小，在此基礎(chǔ)之上由ANSYS自動生成節(jié)點及單元;直接生成法第一步需要將節(jié)點位置、單元形狀及大小確定下來;第二，模型簡化，只有正確的模型簡化才能得到準(zhǔn)確的有限元計算結(jié)果，在進行有限元分析時，模型計算結(jié)果的精準(zhǔn)性與網(wǎng)格劃分的細致程度間具有正相關(guān)關(guān)系。進行模型簡化的主要目的在于確保計算結(jié)果的可用性以及分析效率等，經(jīng)過簡化之后便得到計算模型。對實體模型的簡化如下:將功能件及非承載構(gòu)建省略;將一些圓弧過渡簡化為直角過渡;在確保部隊整體結(jié)構(gòu)造成不利影響的基礎(chǔ)上，簡化截面形狀［2］;最后在截面形狀等效的前提下，對諸如臺肩、翻邊以及凹槽等進行簡化，省略對于截面特性無明顯影響的特征;第三，單元選擇。在進行有限元分析過程中，一項重要內(nèi)容就是結(jié)合具體的模型、分析類型以及方法，對單元類型進行選擇［3］。單元類型對附加自由度具有決定性影響，在結(jié)構(gòu)分析中，單元類型選擇受結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的影響，需要對計算的準(zhǔn)確性以及計算成本進行綜合考慮;第四，結(jié)合面建模，在有限元模型中，利用彈簧——阻尼單元對結(jié)合面進行模擬，為了對結(jié)合面法相以及切向剛度、阻尼準(zhǔn)確的區(qū)別開來，需要對結(jié)合面觸點 X、Y、Z三個自由度上生成相應(yīng)的COMBIN14單元，這樣，結(jié)合面以對接觸點兩個切向以及一個法向的剛度及阻尼模擬所需要的COMBIN14單元個數(shù)為三個;第五，劃分網(wǎng)格。有限元前期處理中一項重要工作就是劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的好壞對計算結(jié)果的精準(zhǔn)性以及速度等均具有決定性影響。通常情況下，增加網(wǎng)格數(shù)量可以提高計算精準(zhǔn)度，但也會導(dǎo)致計算量的相應(yīng)增加，因此，在確定網(wǎng)格數(shù)量時需要對相關(guān)因素予以綜合考慮。通常而言，在靜力分析時，若只是計算結(jié)構(gòu)變形，不要求大量的網(wǎng)格數(shù)量;如果計算應(yīng)力，在精度要求一致的情況下，要盡可能增加網(wǎng)格數(shù)量。

2 落地式鏜銑床實驗驗證

文章選取的落地式鏜銑床是中渤X2120，如圖1所示。

圖1 中渤X2120落地式鏜銑床

中渤X2120落地式鏜銑床的詳細計算參數(shù)如表1所示。

表1 中渤X2120落地式鏜銑床的詳細計算參數(shù)

(續(xù)表)

實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)是依照線性共振理論，利用動態(tài)檢測、參數(shù)識別以及數(shù)字信號處理等技術(shù)和手段，對系統(tǒng)進行識別。實踐中比較常見的試驗?zāi)B(tài)分析方法主要有穩(wěn)態(tài)正弦激振模態(tài)實驗、隨機激振模態(tài)實驗以及脈沖激振模態(tài)實驗等三種實驗方法。利用實驗激勵設(shè)備針對機械結(jié)構(gòu)開展激振，在獲取系統(tǒng)激勵及振動響應(yīng)信號的基礎(chǔ)之上，依次開展數(shù)據(jù)處理、曲線擬合以及參數(shù)識別等工作，之后對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力特征相關(guān)模態(tài)參數(shù)進行計算，利用所構(gòu)建的動態(tài)模型對結(jié)構(gòu)動力學(xué)特征進行分析，以便對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，確保結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布的合理性，用盡可能少的原材料滿足構(gòu)件剛度及強度等方面的要求。

模態(tài)特征實驗分析系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)由計算機充當(dāng)，激勵系統(tǒng)、測量系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是三大主要組成部分。試驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)硬件配置詳見圖2所示。

圖2 試驗?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)硬件配置示意圖

測點振動用來表達模態(tài)振型圖，因此，要重視測點位置及分布密度的確定。要確保所選擇的測點位置能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)幾何特性準(zhǔn)確的反映出來;在選擇的測量點中包括感興趣的全部結(jié)構(gòu)點;實驗頻段中全部模態(tài)變形特征以及模態(tài)間的變形的不同之處可以在變形之后十分明確的反映出來。

以機械結(jié)構(gòu)大件構(gòu)成為依據(jù)，可以將落地式鏜銑床劃分為立柱、主軸箱、方滑枕、鏜軸以及滑座等五個子結(jié)構(gòu)。確定集合測點數(shù)量的主要依據(jù)是機床整機以及具體的結(jié)構(gòu)件尺寸。為確保所獲取的實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，要按照機床坐標(biāo)系將加速度傳感器粘貼在立柱底部的X、Y、Z方向，充當(dāng)參考點;為了對振動情況進行測試，需要在主軸箱、主軸以及方滑枕等部件的X、Y方向分別布置三點;整體鏜銑床共布置測試點三十個，選擇統(tǒng)一測點相同激勵多次采樣法，這樣所有測試點的每個測量方向所獲得的實測數(shù)據(jù)均不低于五次，這樣可以將隨機誤差控制在最低水平［4-5］。

在進行落地式鏜銑床實驗的過程中，因為測試系統(tǒng)對噪聲干擾信號敏感，所以，需要盡可能與干擾源保持一定距離，傳感器的安裝位置的溫度不能過高，風(fēng)力和聲音不能過大;對所有激振點進行脈沖激振的過程中，要注意把控好錘擊方向及錘擊力度，如果錘擊力度不夠，就無法將感興趣頻率范圍中的全部頻率點的相應(yīng)充分激發(fā)出來，如果錘擊力度過大，則可能造成系統(tǒng)非線性振動現(xiàn)象的發(fā)生或者導(dǎo)致測試儀過載;通常情況下，需要選擇表面較為堅固、沒有測量模態(tài)節(jié)點的位置安裝傳感器;還有就是要盡量不要連續(xù)多次的進行錘擊，防止導(dǎo)致分析結(jié)果誤差過大［6］。

因為關(guān)注的焦點為低階固有頻率，因此選擇時域積分法最為適宜。首先為了將低階固有頻率很好的展示出來，需要對加速信號進行轉(zhuǎn)化，得到相應(yīng)的速度信號。通過對有限元計算結(jié)果和實驗結(jié)果進行比較分析，可知實驗所得整機固有頻率值和理論計算值之間的誤差不大，但第五階故有頻率屬于例外情況;計算所得模態(tài)數(shù)量與實驗所獲得的模態(tài)數(shù)量相比較而言，前者多于后者。導(dǎo)致計算結(jié)果和實驗結(jié)果之間存在誤差的原因大致可以歸結(jié)為以下幾點:第一，材料質(zhì)量、密度以及彈性模量參數(shù)取值、邊界條件設(shè)置等均有一定程度誤差存在;第二，受實驗測點位置、激勵方向以及力錘材質(zhì)等相關(guān)因素的影響，錘擊脈沖對固有頻率的激勵無法達到百分之百，有些振型是無法識別的;第三，對結(jié)合面剛度以及阻尼參數(shù)的計算需要進行大量運算，計算過程中的誤差也是無法避免的;最后，在對剛度及阻尼進行定義的過程中，沒有按照彈簧——阻尼單元數(shù)量、串聯(lián)以及并聯(lián)關(guān)系對結(jié)合面的剛度及阻尼進行合理分配。

3 落地式鏜銑床諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析就為明確隨時間的推移，線性結(jié)構(gòu)承受的按正弦規(guī)律變化的荷載穩(wěn)態(tài)相應(yīng)的技術(shù)。對幾種頻率中結(jié)構(gòu)的相應(yīng)進行計算，得出響應(yīng)值對頻率的曲線是諧響應(yīng)分析的主要目的。

3.1 諧響應(yīng)分析步驟

筆者在此選擇用模態(tài)疊加法進行諧響應(yīng)分析，大致分為以下四步:

第一步，構(gòu)建模型，主要涉及對單元類型及實常數(shù)進行定義、對材料屬性進行定義、幾何模型構(gòu)建、有限元網(wǎng)格劃分等。需要提醒的是，首先，網(wǎng)格密度標(biāo)準(zhǔn)為感興趣的最高階振型能夠準(zhǔn)確確定;再就是對應(yīng)力及應(yīng)變感興趣的區(qū)域和單純對位移進行考察的區(qū)域相比，前者的網(wǎng)格密度更高。

第二步，取得模態(tài)分析解。在此需要關(guān)注以下幾點:第一，要將對諧響應(yīng)有貢獻的模態(tài)全部提取;第二，假如利用QR阻尼法，需要在前處理或者是模態(tài)分析階段指定希望包含的阻尼;第三，假如有必要施加簡諧變化單元荷載，要在模態(tài)分析過程中施加;最后，沒有必要對模態(tài)進行擴展。

第三步，取得模態(tài)疊加法諧響應(yīng)解。首先，進入ANSYS求解器，選擇分析種類及選項;其次，將載荷施加到模型，明確隨時間按正弦規(guī)律變化的荷載是開展諧響應(yīng)分析的前提;最后，確定載荷步選項。

第四步，對結(jié)果進行分析。一般常采取的處理順序為:先用POST26確定臨界強制頻率，也就是模型中最大位移對應(yīng)的頻率，在此基礎(chǔ)之上利用POST1對模型進行處理。

3.2 諧響應(yīng)結(jié)果分析

(1)X向激振力影響下落地式鏜銑床響應(yīng)。通過對相關(guān)信號的加速度傳感器拾取，并且經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換之后，受X向簡諧激振力作用的影響，銑刀某觸點在X、Y、Z方向的動態(tài)響應(yīng)詳見圖3所示(以下橫坐標(biāo)是激振力的大小，縱坐標(biāo)為動態(tài)位移幅值峰值)。

圖3 銑刀某觸點在X方向激振力振幅示意圖

從圖3中不難得出，銑刀某點受X方向激振力的影響，在第2、4、7、9四階X軸向動態(tài)位移故有頻率有峰值出現(xiàn)，其中，第二階固有頻率附近的位移幅值最大;Y向的動態(tài)位移幅值峰值出現(xiàn)在第2、10兩階;Z向動態(tài)位移幅值峰值則出現(xiàn)在第4及10階。根據(jù)模態(tài)分析變形圖，整機X向擺動出現(xiàn)在第2階，受X向激振力影響，在受激振動出現(xiàn)時，X向動態(tài)位移最大;第4階模態(tài)為繞Y向的扭轉(zhuǎn)振動，受X向激振力影響，受激振動發(fā)生時同樣會出現(xiàn)加大的位移。

(2)Y向激振力影響下落地式鏜銑床響應(yīng)。受Y向激振力影響，銑刀某觸點在Y軸向位移幅值的峰值出現(xiàn)在第1及第10階故有頻率附近;X向的動態(tài)位移幅值峰值出現(xiàn)在第2、9兩階;Z向動態(tài)位移幅值峰值則出現(xiàn)在第1階。整機Z向擺動為第1階模態(tài)。

(3)Z向激振力影響下落地式鏜銑床響應(yīng)。受Z向激振力影響，銑刀某觸點在Z軸向位移幅值的峰值出現(xiàn)在第1及第4階故有頻率附近;整機Z向擺動為第1階模態(tài)，受Z向激振力影響，在受激振動出現(xiàn)時，Z向動態(tài)位移最大;受Z向激振力影響，在受激振動出現(xiàn)時第4模態(tài)被激起，這樣Y向動態(tài)位移也比較大。

通過對鏜銑床的2種模型的固有頻率的計算值和實驗結(jié)果的比較，我們可以得到如表2所示的數(shù)據(jù)。

表2 鏜銑床2種模型的固有頻率計算值和實驗結(jié)果比較

4 結(jié)束語

文章依據(jù)ANSYS對中渤X2120落地式鏜銑床進行建模分析，在獲取中渤X2120落地式鏜銑床的基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，依據(jù)ANSYS完成建模，然后通過ANSYS進行模擬分析。通過研究發(fā)現(xiàn)，本文的模態(tài)分析結(jié)果與實驗結(jié)果更接近，彈簧阻尼連接模型只有一階固有頻率與實驗結(jié)果的相對誤差較大，其余階次均滿足一般工程精度?？赏ㄟ^優(yōu)化模型進一步提高一階固有頻率的精度。綜上所述，機床加工性能的要求隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的日益進步以及加工制造工藝的迅猛發(fā)展而不斷提高。筆者首先介紹了落地式鏜銑床有限元模型的構(gòu)建，闡述了落地式鏜銑床實驗驗證及諧響應(yīng)分析。

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Machine Harmonic Response Analysis Based on ANSYS X2120 Console Boring and Milling

WANG Jun1，MA Pei-hua2，GAO Yong-jiang2
(1.Wuhan Polytechnic，Wuhan 430074，China;2.China Chang Jiang Energy Corp.(Croup)，Wuhan 430074，China)

This article with the X2120 console boring and milling machine harmonic response analysis system as the main research object，using the finite element model analysis mode，through ANSYS software component the console boring and milling machine key parts and the finite element model of the structure，and modal characteristics of the main body of the experimental analysis system structure analysis，mainly divides into the computer as，incentive systems，measurement system，and the data acquisition and processing system is the three most of the modal analysis，using ANSYS10.0 software in X2120 console boring and milling machine harmonic response analysis，the conclusion that spring damping connection model only the first natural frequency and the experimental results of the relative error is bigger，the rest of the order will meet the general engineering time accuracy.But through the optimization model to further improve the precision of the first natural frequency.

console boring and milling machine;the finite element model;harmonic response analysis

TH16;TG65

A

1001-2265(2012)11-0029-03

2012-06-06;

2012-08-21

王軍(1964—)，男，湖北荊門人，武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師，副教授，主要研究方向為數(shù)控加工技術(shù)，(E-mail)568861877@qq.com。

(編輯 李秀敏)