基于ANSYS的大余量机加工过程避免共振技术实践

傅骏,卢万强,陈博

摘要：为了在去除量在50%或以上的机械加工过程中避免共振，通过回溯企业质量管理体系数据，得到了加工机械在一定加工参数下的振动频率范围。运用ANSYS模态分析技术，通过研究改变夹具位置、大小和数量，得到了多种加工方案中的自振频率和振型，采取措施避免共振，提高了产品一次合格率。

关键词：ANSYS 模态分析 大余量 避免共振

0 引言

某民营企业主要业务为钢铁合金、铜合金的机械加工，根据技术员和工人师傅的生产经验确定加工顺序、加工参数、夹具位置和个数，在后续检验过程中，发现尺寸超标造成产品报废，给企业带来重大经济损失和信誉损失。运用ANSYS模态分析技术，对提出的几种方案进行优化，选择避开产生共振的加工方案，大大提高了产品一次合格率。

1 基于ANSYS的模态分析技术

1.1 振动力学基础

1.1.1 固有频率。对n自由度的振动方程有，[M]{■}+[M]{X}={0}。要使A有不全为零的解，必须使其系数行列式等于零。于是得到该系统的频率方程（或特征方程）。上式是关于p2的n次多项式，由它可以求出n个固有频率（或称特征值）。因此，n个自由度振动系统具有n个固有频率。

1.1.2 主振型。由于系统的质量矩阵M是正定的，刚度矩阵K是正定的或半正定的，因此有p2=■≥0。A（i）为对应于pi的特征矢量。它表示系统在以pi的频率作自由振动时，各物块振幅的相对大小，称之为第i阶主振型，也称固有振型或主模态。对于任何n自由度振动系统，总可以找到n个固有频率和与之对应的n阶主振型。

1.2 自振频率的主要影响因素

1.2.1 刚度：刚度无穷大、连续分布、分段连续、集中刚度。一个复杂结构，通常是多种刚度模型的组合。结构内部压力、轴向载荷、定轴旋转等将引起附加刚度。

1.2.2 质量分布：质量分布的确定主要取决于所研究的对象与所采用的分析方法。总的原则是要尽量反映原结构的惯性力分布。惯性力对结构的动态特性影响很大，尤其是高频。质量矩阵要能反映以下各种惯性力：刚体惯性力、离心负载与陀螺负载；变形体的分布惯性力。变形体的分布惯性力：连续质量分布模型、一致质量模型、集中质量模型。

1.2.3 边界条件：结构的动态性能对边界条件很敏感。振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。

1.3 模态分析技术

1.3.1 模态：模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。

1.3.2 模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。

1.3.3 模态分析在防止共振方面的应用。根据模态频率、模态振型、模态阻尼等模态参数，对被测结构进行直接的动态性能评估。对一般结构，要求模态远离工作频率，或工作频率不落在某阶模态的半功率宽带内。对结构振型较大的振型，应使其不影响结构正常工作为佳。

1.4 ANSYS的模态分析

1.4.1 概述。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，是现代产品设计中高级CAE工具之一。ANSYS的模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），即结构的固有频率和振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。

1.4.2 ANSYS模态分析操作步骤。①建模。模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的，主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤。②施加载荷和求解。包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项，并进行固有频率的求解等。③扩展模态。如果要在POSTI中观察结果，必须先扩展模态，即将振型写入结果文件。过程包括：重新进入求解器、激活扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等。④查看结果。模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等。

2 基于ANSYS的大余量机加工过程避免共振技术

2.1 机械加工过程中避免共振概述

2.1.1 强迫振动与自激振动。机械加工过程中振动分为强迫振动和自激振动。

强迫振动产生的原因分为机内振源和机外振源两大类。机械加工过程中的强迫振动，只要干扰力存在，其不会被衰减、强迫振动的频率等于干扰力的频率、在干扰力频率不变的情况下，干扰力的幅值越大，强迫振动的幅值将随之增大。减少强迫振动的途径：对工艺系统中的回转零件进行动平衡处理、提高工艺系统中传动件的精度以减小冲击、提高工艺系统的刚度、隔振：隔离机外振源对工艺系统的干扰。

自激振动是机械加工过程中，在没有周期性外力作用下，由系统内部激发反馈产生的周期性振动。自激振动的特征是维持自激振动的能量来自机床电动机、自激振动的频率接近于系统的某一固有频率、自激振动却不因有阻尼存在而衰减为零。

2.1.2 控制机械加工振动的途径。①消除或减弱产生强迫振动的条件：减小机内外干扰力、调整振源频率、采取隔振措施。②消除或减弱产生自激振动的条件：减小重叠系数、减小切削刚度、增加切削阻尼、调整振动系统小刚度主轴的位置。③采用各种消振装置。

2.2 基于ANSYS模态分析技术的自振频率和振型的影响因素分析

理论分析表明，质量减小、刚度增加将会提高自振频率，反之亦然。运用ANSYS模态分析技术研究了截面形状面积减小、改变装夹的自振频率和振型。

2.2.1 加工过程中，截面形状面积减小（质量减小）频率并不一定总是增加的。这是因为随着加工的进行，改变了质量分布以及部分节点可能会失去装夹（减小了刚度），反而会减小自振频率。

装夹位置、个数和大小的改变将直接影响频率。这是因为装夹的个数越多、装夹面积越大相当于增加了刚度故而频率增加。

2.2.2 自振振型分析。需要指出的是，ANSYS模态分析的结果振幅只是理论位移，不是真实位移大小，但指出了在外力（谐响应、周期、随机载荷）作用下变化的趋势，为人们采取措施提供了思路。

质量分布不同、装夹的不同，将造成振型直接变化。振幅的最大位置也很不相同。

2.2.3 模态分析结果对制订加工工艺的影响。随着加工的进行，质量减小，但部分节点可能失去装夹造成刚度减小，所以加工过程中，频率到底是增加还是减小、振型如何变化、最大振幅出现在哪个区域，仅凭经验无法获得准确结果。当然，增加装夹个数和尺寸，则刚度越大，频率增加，振幅越小。但是在企业实际过程中，必须考虑到改变加工位置、走刀、工时问题。综上所述，凭经验制订加工工艺是不可靠的，有必要给予ANSYS进行模态分析提供正确的结果以指导生产。

2.3 避免共振技术的实际应用

应用以上技术，对该民营企业承担加工系列大余量产品进行了多种方案进行基于ANSYS的模态分析，提出了合理的工艺方案，获得了成功。

2.3.1 加工机械振动频率的获得。该企业有着良好的质量保证体系，对产生废品的工艺参数进行了详细记录。工艺小组回溯了部分加工工艺，对产生尺寸偏差的加工工艺状态下的零件进行了基于ANSYS的模态分析。经过大量数据分析，得出了加工机械在某种切削状态下的振动频率范围。

原理是，利用ANSYS对（产生了尺寸偏差的）零件进行模态分析，得到该加工参数（刀具旋转速度、进给量等）状态下的加工机械自振频率范围。通过对数据进行基于MatLab的拟合处理，得到了加工机械与加工零件之间质量的振动频率函数关系，并以此建立了相关数学模型。

2.3.2 实例。某次加工任务的零件材质为合金钢。零件外形尺寸为1600*617*518。结合其他因素考虑，选用尺寸为1650*650*580毛坯进行机加工。加工过程中零件质量从约5.85吨加工到约2.32吨，去除量达到55%左右。

优选加工工艺方案的目的是，通过改变夹具的个数、位置、大小，使加工过程中零件的自振频率避开加工机械的振动频率范围。

在分析过程中，采用UGNx进行三维建模，保存为x_t格式，在ANSYS中通过ParaSolid格式导入进行分析。充分利用了APDL，则可自动运行一些重复性的工作，如定义物性参数、导入模型、网格划分等。

比较了该零件多个加工工艺方案，确定了最终加工方案。该零件两个加工工序见图1。

加工结果证明，基于ANSYS模态分析的工艺方案正确，工时量合理，一次加工成功。

3 结束语

理论分析表明，质量减小将会提高自振频率，反之亦然。装夹的个数越多、装夹面积越大相当于增加了刚度故而频率增加。ANSYS模态分析结果表明，随着加工的进行，质量减小，但部分节点可能失去装夹造成刚度减小，故加工过程中频率到底是增加还是减小、振型如何变化、最大振幅出现在哪个区域，仅凭经验无法获得准确结果，凭经验制订加工工艺是不可靠的，有必要基于ANSYS进行模态分析提供正确的结果以指导生产。

参考文献：

[1]刘晶波，杜修力.结构动力学[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]王建江，胡仁喜等.ANSYS11结构域热力学有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3]白金泽，孙秦，郭英男.应用ANSYS进行复杂结构应力分析[J].机械科学与技术，2003（03）.

基金项目：

1.德阳市金桥工程“基于ANSYS的大余量机加工过程避免共振技术推广”（德金桥【2013】3号）。

2.四川工程职业技术学院“三维泡沫实型浇注验证铸造工艺的应用研究”。

作者简介：

傅骏（1973-），男，四川工程职业技术学院材料工程系，教授，教研室主任，四川大学博士研究生。