基于ANSYS Workbench的随动系统负载仿真试验台的分析研究

于昆昆， 于正林

（长春理工大学机电工程学院，长春130022）

0 引言

随动系统广泛应用在军事、机械制造等领域，其负载仿真技术越来越重要［1］。本文设计了基于阀控双联马达的随动负载仿真试验台，通过ANSYS Workbench对其结构进行了优化设计，使试验台结构更加合理。

1 试验台整体结构设计

试验台工作原理的总体机构如图1，集成了水平方向和俯仰方向两套系统。配流座作为负载仿真元件，安装了双联马达和电液伺服阀，通过其他辅助系统对随动被试电机施加力矩。所仿真的负载力矩为静阻、正弦、冲击和惯性，最高频率为10 Hz。被试电机的最高转速为6 000 r/min，最高工作频率为100 Hz。因此理论上要求试验台的固有频率需要大于100 Hz。

2 试验台模态分析

试验台模型简化依照质量等效、质心不变的原则简化［2］，尤其齿轮箱简化为形状一致的质量块，忽略各小件的影响，地脚简化为质量等效的圆柱支撑。简化后模型如图2所示。

图2 试验台简化模型

底座材料为铸铁，其他材料为45钢，铸铁密度为7 340 kg/m3，弹性模量 110 GPa，泊松比 0.25；45 钢密度为7 850 kg/m3，弹性模量为210 Pa，泊松比为0.27。固定支撑约束施加在4个地脚的底面上。根据模态原理，试验台不施加外力［3］，网格划分为357 267个单元，720 849个节点，ANSYS Workbench分析结果如图3所示。

图3 前四阶模态

根据分析结果知，试验台最低固有频率为100.97 Hz，试验台在100 Hz工作的时间极短，因此试验台不会发生共振，但是为了使试验台工作更加稳定，现对其进行变约束模态分析。

图4 固定支撑施加图

图5 变约束前四阶模态图

3 试验台变约束模态分析

约束的施加会影响试验台的固有频率［4］。现将试验台的地脚数量增加到8个，固定支撑约束施加在8个地脚上，如图4所示。

ANSYS Workbench的进一步模态分析结果如图5所示。

试验台最低固有频率为154.63 Hz，相对于4个地脚模态，固有频率有效提高了50 Hz，离共振区更远。模态（位移）矢量最大是相对值，不代表机构实际的物理位移［5］，因此对模态分析中的总变量只能表示机构设计中的薄弱环节。

4结语

试验台的变约束分析，通过增加地脚数量使固有频率提高了50 Hz，为试验台的结构优化设计指明了方向，对负载仿真试验的实现具有重大意义。

［1］ 白晓灿.数控机床伺服系统的性能分析及其调整［J］.中国科技博览，2010（31）：39-40.

［2］ 巫少龙，张元祥.基于ANSYS Workbench的高速电主轴力学特性分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2010（9）：20-22，26.

［3］ 张泽安.新型负载模拟器的理论分析与仿真研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

［4］ 宁连旺.ANSYS有限元分析理论与发展［J］.山西科技，2008（4）：65-68.

［5］ 浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2010.