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旋轉體的有限元分析流程

發布于:2024-02-28 19:26
有限元分析

      本文應用三維建模軟件Pro/E對旋轉體零件進行建模,并對其進行適當的簡化和修復,以中間文件的形式導入ANSYS系統,建立對應的有限元模型。材料屬性見表。主要材料參數材料彈性模量/GPa,密度/g.cm-3,泊松比HT300 130  7.35  0.27,有限元的網格包括數據和單元信息。正確劃分網格是進行有限元分析的先決條件。網格單元尺寸越小,劃分越密集,求解精度也越高,同時求解過程持續時間也越長,對計算機硬件要求越高;所以,應該在滿足求解精度的前提下,合理劃分網格,以達到精、準、快的要求。鑒于旋轉體底座結構為空間不規則幾何體,故選用10節點的SOLID92塊單元,采用自由網格劃分,幾何體不規則部分采用協調分片算法自動生成四面體,規則部分采用掃掠法產生六面體網格。劃分結果顯示細化水平為8,節點數為112 403個,單元個數65 896個。模型網格劃分結果如圖所示。坐標軸的建立:X方向為旋轉體水平方向;Y方向為旋轉體垂直方向,即重力方向;Z 方向與主軸進給方向一致。
      根據旋轉體安裝位置特點,其于主軸的軸端相連,約束應該施加在跟主軸相連的連接孔上,單獨分析旋轉體時,把內孔節點的連接位置看做不變量,實行完全約束。旋轉體一方面還受其自身重力的影響,另一方面在豎直方面上做旋轉運動。根據額定最大轉速計算出轉速為41.6 r/s。其余各受力、載荷見前文受力分析。ANSYS軟件求解模塊進行分析計算,計算結束后旋轉體的變形及應力如圖所示。
      由圖可以看出,X方向上最大變形值為6.059 um,Y方向上最大變形值為7.607 um,Z方向上最大變形值為17.466 um,其總結構變形圖上顯示變形值大部分區間0~1.2 um。最大變形出現在遠離旋轉體中心最遠邊緣處受力最大的地方,故其變形也最大,其剛度為6.7×103 N/um。上述數據表明,旋轉體的重力變形以及旋轉產生的離心力不可忽視。為提高其靜剛度,增強其抵抗變形的能力,應考慮筋板的結構形式及合理分布。
      執行動力學分析的第1步通常是計算忽略阻尼情況下的固有頻率和振型,模態是機械結構的固有振動特性,通過模態分析方法可知結構物在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態的特性,就可以預言結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動影響。因為低階振型對旋轉體振動特性影響比較大,所以只對旋轉體的前6階模態頻率進行分析。分析結果見表,前6階模態振型圖如圖所示。
   由表可以看出,旋轉體最低階頻率為153 Hz,其附屬旋轉件刀具的額定轉速為8.3 r/s,絲杠的轉速為33.3 r/s,旋轉體的最低階頻率遠遠高于其附屬旋轉件的最高頻率。所以該旋轉體避開了固有頻率和激振頻率的共振,具有良好的結構穩定性。由前6階振型圖可以看出,在各階振型下,旋轉體邊緣尤其是約束點軸線兩側有相對的位移,若需要進一步提高該零件的剛度,可以采取在外圓周加強厚度等一系列措施。
      諧響應分析是用于確定線性結構在承受隨時間按正弦規律變化的載荷時穩態響應的一種技術,分析的是計算出結構在激振力頻率下的響應,即響應位移與響應應力,并得到系統的動力響應與系統振動頻率的曲線。模態分析可得到旋轉體各階振型,表示整體的相對振動情況,而外力激勵下各階振型對整體振動作用大小是不同的,因此對旋轉體進行諧響應分析可更清楚地看出旋轉體在動態銑削力干擾下的抗振性能。


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