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利用ANSYS WORKBENCH膜片聯(lián)軸器的模態(tài)分析論文
引言
膜片聯(lián)軸器是機(jī)械中連接主動(dòng)元件與從動(dòng)元件并傳遞轉(zhuǎn)矩的重要機(jī)構(gòu)，在很多應(yīng)用場(chǎng)所機(jī)械性能優(yōu)于剛性聯(lián)軸器。膜片在傳遞轉(zhuǎn)矩時(shí)同時(shí)受壓縮和拉伸，依靠彈性變形將主從動(dòng)機(jī)聯(lián)接起來(lái)，并且具有減振、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)也山于經(jīng)常工作在不對(duì)中的主從動(dòng)機(jī)構(gòu)之間，膜片聯(lián)軸器受到復(fù)雜載荷和振動(dòng)的作用，組成膜片聯(lián)軸器的主要部件容易產(chǎn)生磨損。為了對(duì)組成膜片聯(lián)軸器的各部件進(jìn)行模態(tài)分析，避免聯(lián)軸器部件之間因共振產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲問(wèn)題，使傳動(dòng)系統(tǒng)工作正常、提高傳動(dòng)系統(tǒng)性能，有必要對(duì)聯(lián)軸器及其關(guān)鍵部件的一些振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析研究。
機(jī)械結(jié)構(gòu)因結(jié)構(gòu)、材料、運(yùn)動(dòng)機(jī)理等因素的不同會(huì)產(chǎn)生不同的振動(dòng)特性，這種振動(dòng)特性又可以稱為機(jī)械的結(jié)構(gòu)模態(tài)，模態(tài)參數(shù)常用阻尼比、固有振型及頻率表不2獲得這些參數(shù)就是模態(tài)分析的主要任務(wù)，主要可以通過(guò)理論計(jì)算、試驗(yàn)或者計(jì)算機(jī)仿真模擬獲得。通過(guò)理論方法獲得需要復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程，用時(shí)長(zhǎng)且復(fù)雜。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法需要產(chǎn)品試制成型，生產(chǎn)制造一件產(chǎn)品的周期長(zhǎng)，因此不便及時(shí)獲得產(chǎn)品的模態(tài)特性相關(guān)數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程領(lǐng)域的發(fā)展使理論模態(tài)分析法得以在較短產(chǎn)品周期內(nèi)完成。本文在Pro/E造型環(huán)境下對(duì)金屬膜片聯(lián)軸器的各零部件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，在ANSYS WORKBENCH建立模態(tài)分析，根據(jù)模態(tài)分析理論對(duì)聯(lián)軸器整體及重要部件進(jìn)行仿真求解，分析其固有振動(dòng)特性。
1 夾板襯套式金屬膜片聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu)
夾板襯套式金屬膜片聯(lián)軸器主要山連接主傳動(dòng)元件的左半聯(lián)軸器和夾緊螺栓、具有較大彈性的膜片組、連接從動(dòng)元件的右半聯(lián)軸器和夾緊螺栓裝配而成。膜片組是聯(lián)軸器的彈性元件，它大多山兒片相同形狀的金屬膜片通過(guò)加工組成膜片組，膜片的材料很大程度上決定了聯(lián)軸器的撓性優(yōu)劣，是膜片聯(lián)軸器的關(guān)鍵部件。根據(jù)膜片組形狀的不同會(huì)有數(shù)量對(duì)稱的幾組螺栓孔，它們與螺栓裝配連接，通過(guò)螺栓連接將主動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩傳遞給膜片組，膜片組受力發(fā)生變形傳遞轉(zhuǎn)矩。當(dāng)主動(dòng)軸與從動(dòng)軸之間出現(xiàn)不對(duì)中或偏移時(shí)，膜片組發(fā)生彈性變形，保證主從動(dòng)軸之間的柔性連接。金屬膜片聯(lián)軸器連接緊密，不依賴潤(rùn)滑，可以適應(yīng)大多數(shù)復(fù)雜環(huán)境。若采用合金材料還可以大大減小結(jié)構(gòu)質(zhì)量，主要連接高速且主傳動(dòng)載荷變化小的主從動(dòng)軸之間，是一種發(fā)展空間極大的聯(lián)接機(jī)構(gòu)。但對(duì)有較大沖擊、轉(zhuǎn)矩變化大、振動(dòng)劇烈的聯(lián)接環(huán)境，這種聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)存在很大的局限性。
轉(zhuǎn)矩在主從動(dòng)元件傳遞主要是通過(guò)夾緊螺栓、2個(gè)山4片同形狀、同材料金屬薄片組成的膜片組完成。其轉(zhuǎn)矩的傳遞過(guò)程是:主傳動(dòng)從左半聯(lián)軸器傳入經(jīng)螺栓傳給膜片組到中間體，再山另一組膜片傳至右側(cè)螺栓及右半聯(lián)軸器，最后通過(guò)聯(lián)接傳至從動(dòng)元件輸出。每片膜片組山四片膜片組成，材料采用高強(qiáng)度的強(qiáng)力鋁合金板簧，輕量、有較高的抗扭剛度，能適合高響應(yīng)。
2 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論
模態(tài)分析屬于動(dòng)力學(xué)分析的范疇，模態(tài)分析得到的相關(guān)數(shù)據(jù)(固有頻率及相關(guān)振型)可以反映結(jié)構(gòu)本身的振動(dòng)性質(zhì)5。模態(tài)分析的一個(gè)重要作用就是求解其結(jié)構(gòu)的固有頻率和各階振型，作為結(jié)構(gòu)共振分析和改善結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的重要手段，提高結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全系數(shù)。模態(tài)分析的核心理論涉及機(jī)械學(xué)、數(shù)學(xué)、信號(hào)處理以及控制工程等多種理論，模態(tài)分析的過(guò)程就是利用這些理論獲得模態(tài)參數(shù)。它的本質(zhì)是一組坐標(biāo)變換，通常機(jī)械結(jié)構(gòu)是在物理坐標(biāo)系中用微分方程組表述。為了獲得模態(tài)參數(shù)就需要將物理坐標(biāo)變換為模態(tài)坐標(biāo)，求解方程組得到模態(tài)阻尼比、模態(tài)頻率及振型，這些參數(shù)可以用作載荷的計(jì)算與識(shí)別以及修正有限元理論模型。其過(guò)程大致為:用分析數(shù)據(jù)建立一個(gè)部件的新的數(shù)學(xué)模型，然后再將修正的模型裝配替換掉原有模型達(dá)到優(yōu)化目的。
3 膜片聯(lián)軸器模態(tài)分析
3.1 膜片聯(lián)軸器的有限元模型
在Pro/E中保存金屬膜片聯(lián)軸器模型副本格為*.IGES-，這樣ANSYS WORKBENCH通過(guò)格式轉(zhuǎn)換就可以直接讀取聯(lián)軸器實(shí)體模型，從而建立聯(lián)軸器有限元模型。在ANSYS WORKBENCH工作界面上實(shí)現(xiàn)以下操作:在工程Modal中右擊Geometry選擇Import Geometry }}}可以導(dǎo)入在Pro/E中建立的膜片聯(lián)軸器模型，在Geometry中點(diǎn)擊Generate就可以得到聯(lián)軸器的仿真模型。
3.2 聯(lián)軸器整體網(wǎng)格化模型
進(jìn)入ANSYS WORKBENCH模態(tài)分析工程(ModaD界面，在Details of"Mesh選擇材料為鋁合金(AluminumAlto)戶。為了縮短求解時(shí)間，本文采用系統(tǒng)默認(rèn)三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)聯(lián)軸器進(jìn)行網(wǎng)格劃分得到模態(tài)分析的計(jì)算模型，節(jié)點(diǎn)Nodes 64 001個(gè)，Elemems 33 682，如圖2所不。網(wǎng)格化模型邊界條件設(shè)置:對(duì)膜片聯(lián)軸器一側(cè)螺栓孔實(shí)施固定約束，對(duì)兩軸孔進(jìn)行無(wú)摩擦約束。
3.3 聯(lián)軸器模態(tài)分析
利用ANSYS WORKBENCH軟件Modal工程中Solve模塊，仿真解出整體和中間連接體網(wǎng)格化模型的相關(guān)數(shù)據(jù)可以以看出膜片聯(lián)軸器隱藏部分元件后得到的中間連接體模態(tài)分析結(jié)果。
膜片聯(lián)軸器的第一階模態(tài)固有頻率為263 Hz，隨著階數(shù)和頻率的逐漸增大，聯(lián)軸器的中間體整體振型變化明顯，膜片聯(lián)軸器受第一階頻率影響較大，高階頻率影響較小。從膜片聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)動(dòng)速度10 000 r/min可以求得系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率166.67 Hz，山振動(dòng)理論可知系統(tǒng)頻率遠(yuǎn)離低階模態(tài)固有頻率為263 Hz系統(tǒng)是安全的。
4 結(jié)語(yǔ)
在Pro/E造型環(huán)境中完成了夾板襯套式聯(lián)軸器各部件造型設(shè)計(jì)并完成裝配，通過(guò)ANSYS WORKBENCH模態(tài)分析工程完成了聯(lián)軸器及其關(guān)鍵部件的網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行了模態(tài)仿真求解，獲得了結(jié)構(gòu)的頻率及相關(guān)振型數(shù)據(jù)。分析仿真數(shù)據(jù)可知:聯(lián)軸器和膜片組受到低階模態(tài)頻率影響較大，結(jié)合結(jié)構(gòu)共振理論和理論計(jì)算的膜片聯(lián)軸器轉(zhuǎn)頻，組成聯(lián)軸器的關(guān)鍵元件都與共振頻率相差較大，系統(tǒng)不產(chǎn)生共振現(xiàn)象。
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