基于UG的振动筛模态分析

2014-08-16崔联合张双全

机械制造与自动化 2014年3期

崔联合,张双全

(江阴职业技术学院，江苏江阴 214405)

0 引言

用于热熔断体鼓簧分选和安装的振动筛是热熔断体自动装配线中的重要设备之一。如图1所示，振动筛通过螺栓固定于U型座上，U型座由弹簧固定轴连接于支架上，U型座与支架之间安装有四只减振弹簧，安装于U型座底面的振动电机产生交变激振力使振动筛实现振动，以保证鼓簧通过振动筛筛孔装入热熔断体铝壳内。

1—振动筛；2—支架；3—U型座；4—弹簧固定轴；5—平垫片；6—弹簧垫片；7—螺母；8—减振弹簧；9—振动电机；10—平垫片；11—弹簧垫片；12—螺栓；12—连接螺栓图1 热熔断体鼓簧振动机

从振动筛的实际工况可知，振动筛在交变载荷作用下易发生疲劳失效，通常振动筛的设计是建立在经验和简单的强度计算上的[1]，而运行中的振动筛发生振动现象常常是无法避免的，剧烈的振动不仅会造成振动筛发生共振或疲劳破坏，还会产生高频的噪声，因此对振动筛振动的研究与控制不仅可以延长振动筛的寿命，也可以保证操作人员的身心健康。

模态分析是对振动进行有效控制的手段之一。为了避免振动筛发生共振、噪声过大等不良现象, 以保证振动筛安全可靠运行, 对振动筛振动的固有频率、振型及动态特性进行研究具有重要的现实意义。通过对振动筛的模态频率及振型分析可以预测振动筛发生相互影响的可能性,从而通过结构的合理设计避开共振频率[2]。本文采用UG软件建立振动筛结构件三维立体模型，然后利用UG自带的有限元分析模块对振动筛进行结构模态分析。

1 振动筛有限元模型的建立

模型材料为Q235，用UG库材料Steel-Rolled代替，该材料杨氏模量E=206×103N/mm2，泊松比NUXY=0.3，密度ρ=7.85×103kg/m3，屈服强度为235MPa，极限抗拉强度为340 MPa。为了确保网格划分的精确性, 对建立的模型进行一定程度的简化，略去所有的螺钉孔和螺钉以及固定用的螺栓，忽略所有圆角、倒角、内螺纹及振动筛侧面固定孔。这样可在保持计算精度的同时, 极大减少单元数量, 以提高计算速度[3]。在进行三维实体单元网格划分时，对U型座采用3D四面体网格划分，单元类型为CTETRA(10), 单元大小为15mm，模型共计17003个节点, 9034个单元；对振动筛也采用3D四面体网格划分，单元类型为CTETRA(10), 单元大小为5mm，模型共计165136个节点, 87183个单元。图2为振动筛及U型座有限元模型。

图2 为振动筛及U型座有限元模型

2 振动筛自由模态分析

在振动筛的设计过程中，必须对其振动现象作研究。由于振动会造成结构的共振或疲劳，从而破坏结构，因此了解结构本身具有的刚度特性即结构的固有频率和振型，就可避免在使用中因共振因素造成的不必要的损失。

模态分析主要用于确定结构的振动特性，比如固有频率和对应的各阶振型，它们是结构承受动载荷的重要参数，也是其他各类动力学分析的基础，因此对振动筛进行模态分析是很有必要的。工程中的结构模态分析包括自由模态和工况模态两种类型。自由模态分析是在较少考虑各种边界约束条件下，所得到的结构件固有特性，因而，采用自由模态结构分析得到的结果和结论更有利于后续的对比分析和模型修正[4]。更为重要的一点是自由模态分析可以实现理论计算与试验分析及工况模态分析的对比, 验证有限元模型的精度, 为有限元模型的进一步修正提供有力的参考, 从而在修正的模型之上进一步进行结构优化设计和动态响应分析等[2]。在理论与实践中均发现，结构的低阶模态对结构的振动影响较大，在进行结构模态分析时，常常只需要知道前几阶固有频率和振型，而不必求出全部固有频率和振型，因此在本次计算中只提取了振动筛的前10阶模态[5]。

图3 自由模态位移云图

用UG进行自由模态分析时，解算方案类型设为SEMODES103，U型座与支架之间设定为曲面-曲面胶合固定连接，在实数特征值抽取数据中选取Lanczos法选项，希望的模式数设定为10阶。计算结果如表1和图3所示，从表1可知，振动筛结构件第7阶到第10阶的固有频率为646.4Hz到887.9Hz，呈逐步上升趋势，振动筛及U型座前6阶固有频率接近0，自由模态振型为刚性体沿x、y、z方向的平动和绕x、y、z轴的转动, 故不做分析，因此真正意义上的模态应该是从第7阶开始的模态。图3为振动筛结构件第7阶到第10阶自由模态位移云图。从图3可知，振动筛结构件第7阶振型以z向振动为主, 振动筛筛底振幅较大，最大振幅为2.397mm; 第8阶振型为x、z向振动, 振动筛结构件x方向振幅为0.4949mm; 第9阶是扭转振动, 最大振幅发生在U型架侧壁; 第10阶为z向振动,其振幅为2.28 mm。

表1 振动筛及U型座自由模态固有频率及振型

3 振动筛工况模态分析

工况模态分析是考虑结构件在实际工作状态时，在一定的边界条件下, 对结构件分析所得的模态参数，它包含了边界条件对其的影响, 特别是对于大型结构在外界激励未知的情况下具有更重要的实用价值[4]。在自由模态分析的基础上，进行工况条件下的结构模态分析。在分析过程中，在U型座底面设置约束条件，限制其x、y方向的平动和绕x、y、z轴转动自由度，与振动筛结构件实际安装条件接近[6]。解算方案设置及工况控制参数等选项与自由模态相同。在此工况下计算振动筛结构件固有频率和模态振型，结合自由模态计算值，比较两种模态下固有频率和振型的差异。表2为振动筛结构件工况模态下其固有频率及振型。图4为振动筛结构件工况模态下其位移云图。

表2 振动筛及U型座工况模态固有频率及振型

图4 工况模态位移云图

从表2及图4可知，振动筛结构件前3阶固有频率接近0，工况模态振型为刚体模态。从图4可知，振动筛结构件第4阶振型以z向振动为主, 振动筛筛底振幅最大为2.407mm; 第5阶振型为x、z向振动, 振动筛结构件z方向振幅比较大; 第6阶振型为z向振动,最大振幅为2.288mm; 第7阶振型为扭转振动变形; 第8阶振型为y、z向振动，筛底最大振幅为2.208mm; 第9阶振型也为y、z向振动，筛底最大振幅与第8阶接近; 第10阶振型为x、y、z向振动，最大振幅发生在振动筛侧壁，其值为1.581mm。

比较表1和表2可知，工况模态下，结构件第4阶固有频率为648.4 Hz，而在自由模态下，结构件前6阶固有频率均接近0，可见当结构件被施加约束后，其固有频率发生了巨大的变化；在工况模态下，结构件第4阶固有频率和振型与自由模态下的第7阶固有频率和振型几乎一样，第5阶固有频率和振型与自由模态下的第8阶固有频率和振型接近，而第6阶固有频率和振型与自由模态下的第10阶固有频率和振型相一致，这说明当结构件受到边界条件约束后，结构件的固有频率及振型均比自由模态下的固有频率值要大。从以上的分析中可以推断，对结构件进行自由模态分析是非常有必要的，它为结构件的工况模态分析提供了非常有意义的参考数据，并为结构件进行准确的工况模态分析和设计打下了基础。在进行结构件设计时，一定要让结构件的激励频率避免与其在两种模态下的固有频率相同或接近。

从表1、表2和已知条件可知，振动筛振动电机的激振频率为16.7Hz，该值远小于振动筛结构件在自由模态下和工况模态下的最小固有频率值，因此，从理论上说，振动筛结构件在两种模态下，均不会发生共振现象。