有限元法在铝合金薄壁零件振动模态及谐响应分析中的应用

田庆

摘要：铝合金薄壁零件是现代航空航天事业中应用十分广泛的受力构件，比如整体框和壁板等。经过对这些零件进行研究之后发现，它们具有结构复杂、刚度不高等特点，同时对于尺寸的精确性限定较为严格。在对铝合金薄壁零件进行加工的过程中，不仅对其形变问题较难控制，铣削振动问题的出现也不能忽视。本文对有限元法进行概述，在ANSYS软件的辅助下，实现了对铝合金薄壁零件的振动模态和谐响应分析。

前言：在对铝合金薄壁零件进行加工的过程中，出现的较难解决的问题是形变问题，但是另外出现的铣削振动问题也是需要重点关注的。刀具在对零件进行铣削的过程中，会产生铣削震动，这会导致零件的外征出现质量问题，同时也会对刀具和机床造成损害，影响它们的使用年限，其产生的噪音也会影响工作人员的工作状态和健康。为了解决这种状况，在某些时刻会采取减少机床铣削工作量的办法，这就造成了机床的闲置，没影响了工作效率。

1 有限元法概述

随着信息化进程的推进，计算机技术和算法实现了巨大的进步，对于一些较为复杂的工程可以运用离散化的数值算法，并在计算机的辅助下完成求解过程。数值求解的方法可以分为有限元法以及优先差分法。但是从应用角度来讲，有限元法的进步是和计算机同步的[1]。

有限元法的基本计算思想的原理工具为变分原理，利用其将处理对象转化为变分对象，之后把不间断的求解域通过离散的方式使之成为单元有限性，并能按照一定的逻辑关系联接在一起的整体。

有限元法的一般使用流程为：结构方面的离散化、构建形函数、确立平衡方程、求解节点位移，最后测算出单元内的应变与应力。在等参元引入之后，有限元法便可以利用极限思想无限逼近精确解，这也就是说单元的划分越详细，就会使得求解的数值更精确。但是求解数值实现精确需要花费较长的时间，因此需要在求解时间与其精确度上做好衡量工作[2]。

2.铝合金薄壁零件ANSYS振动模态分析

2.1.ANSYS软件简介

ANSYS软件在上世纪70年代被研发出来，在发展的过程中不断不远吸收先进的计算机算法和技术，到现在已经成为功能最强、应用最广的有限元分析软件。它可以进行多种类型的有限元分析，一般分析的顺序为构建有限元模型、添加载荷、浏览分析结果。

2.2.构建有限元模型

运用ANSYS软件可以快速进行有限元模型的构建，主要方式是：实体建模、直接确认、导入其他已经创建模型[3]。

本文的研究对象是铝合金薄壁零件，这种薄壁结构可以在此设定为高2cm，厚度为3mm，为了实验的进行的便利性以及去除因重复安置而产生的误差，实验过程需要在铝合金板上实现全部的薄壁结构的加工。

2.3.材料特性

零件材料为铝合金2025-T351，包含在A1Cu Mg系之中，可以通过热处理得到强化，在强度方面较为出色，可以与钢材相媲美，但是其成分中铜的含量较高，因此容易受到腐蚀，如果在腐蚀较强的环境中，必须采用防腐蚀手段进行处理。在焊接方面表现较差，用途是机械零件领域。

2.4.网格确定

ANSYS单元库中可以提供单元确认。由于薄壁结构的厚度是3mm，所以网格的数量必须达到一定规模才能确保其精确性，经过推断在厚度上需要2个以上的网格单元，进过分析将单元边长确认为1.5mm，如此便获得了98918个单元，节点则达到了24506个。还需要做得就是通过对装夹过程进行分析，对其自由度进行控制。

3.铝合金薄壁零件ANSYS谐波响应分析

谐响应分析是一种技术，它的分析对象是线性结构，分析确认的结果是分析对象在承受载荷呈现出其时间按照某种规律变动的情况下的稳态响应。在进行分析的过程中，会获得一些响应数值和线性频率，让设计人员能够在其辅助下实现结构继续运作的动力特点，实现其能否避免共振以及疲劳等状况造成的有害后果。本文运用谐波响应对薄壁零件进行分析，判断其在周期性刺激的状况下，在振幅方面的响应，为其在高速铣削下出现共振的真实性进行判断。

本分析也是在ANSYS软件的辅助下完成的，前面的几个步骤与模态分析的过程没有区别，因此不再赘述。所以直接从基于模态叠加法的谐响应分析开始。将谐响应的频率范围控制在0-5000Hz，0-22000Hz，然后添加x方向荷载300N，节点为4665。

结果分析。部件为9个3mm的薄壁零件，在进行加工的过程中形变状况发生较为容易，通过对结构接近分析可知，形变发生程度最大的部位为薄壁零件的两边。在进行铣削加工的时候，要避开那些频率导致的形变较大的区域，确认频率的共振区域，并在零件技工的过程中避免和这些区域出现重叠，进而确保精度。事实证明，铣削应该在5000Hz以下的频率环境下开始。发生共振的部位的频率是一致的，载荷的与振幅成正比例关系。这说明，共振部位的频率变化和载荷之间没有产生联系。通过以上分析，可以使得在进行铣削加工的过程中，避免共振的出现，确保零件的质量得到较高的提升，延长刀具的使用年限，降低噪音，使其危害人体健康的情况减少。

4.总结

铝合金薄壁零件在航空航天事业中得到了广泛的应用，虽然其加工技术已经取得较大的进展，但是在对其加工的过程中会出现铣削振动的现象，对加工的质量和效率都产生了负面的影响，产生的噪音也使得工作人员的工作状态受到了一定的干扰。本文对有限元法进行概述，在ANSYS软件的辅助下，实现了对铝合金薄壁零件的振动模态和谐响应分析。

参考文献：

[1]何永强，曹岩.基于薄壁件铣削力模型的应用分析[J].机械工程师.2007（10）：112115.

[2]李铭.关于汽车主模型检具制造工艺问题的讨论[J].模具技术.2006（06）：78—80，

[3]王立涛，柯映林，黄志刚.航空铝合金7050 T7451铣削力模型的实验研究[J].中国机械工程.2003（19）：45 46.