蜂窝夹层摆臂的振动响应仿真分析*

2018-04-02黄远民

机械工程与自动化 2018年1期

杨　曼，黄远民

(佛山职业技术学院机电工程系，广东　佛山　528137)

0　引言

振动是一种普遍存在的物理现象，无论是科学研究还是日常生活都会遇到不同程度的振动问题。振动对于机械结构来说无处不在，而不同场合对振动的要求也不尽相同。一方面，振动可以为人们所用，为生活生产提供服务，如按摩椅和振动筛；另一方面，振动会带来一定程度的破坏，如机床的振动会影响加工精度和生产效率。因此我们要善于把握振动的特性，以便更好地为生活和生产提供服务。

振动特性的研究主要体现在振动特性参数的优化。振动特性参数的优化是减振设计的重要指标，也是检验设备工作情况的重要体现[1-4]。抑制振动或者改变振动响应的方法有很多，主要表现在采用算法控制动力输出来抑制振动[5]，通过改变结构改善振动响应特性，通过改变部件材料以改变响应等方法。蜂窝夹层结构因其优良的结构特性而被广泛应用于航天航空、造船、汽车、包装、建筑等诸多行业[6]。近年来，随着蜂窝夹层结构在各个领域的广泛应用，人们对蜂窝夹层结构的研究也更加深入。蜂窝夹层摆臂是根据蜂窝结构优良的吸能、抗振和振动衰减快等特性设计的，通常将蜂窝夹层梁在冲击载荷作用下的动力学特征和动态响应问题由冲击物的动力特性和梁的振动响应特性来共同描述。

在本项目设计的一款高效精密轴双面打孔装置中，结合蜂窝结构吸能、抗振和振动衰减快等优良特点，将精密轴双面打孔装置的运送摆臂设计为蜂窝结构，为了使摆臂的设计有依有据，也为其他蜂窝结构的机械部件提供一个可行的设计方法，本文基于ANSYS软件对蜂窝夹层摆臂振动响应进行一系列仿真分析。

1　蜂窝夹层摆臂模型的建立

1.1　材料特性

高效精密轴双面打孔装置的蜂窝夹层摆臂材料选用铝合金，其弹性模量为70 GPa，泊松比为0.3，密度为2 700 kg/m3。

1.2　摆臂有限元模型的建立

摆臂的特征随着均布蜂窝的行数和列数、蜂窝形状、蜂窝尺寸等因素的变化而变化，随着摆臂蜂窝数的增加，结构将会变得非常复杂，对仿真计算而言是非常不利的，因此在不改变摆臂整体特征的前提下，在衰减振动仿真和周期性冲击仿真中主要针对均布单列直径为Φ5 mm的圆形蜂窝进行，并对有限元模型的圆角、倒角、螺栓孔等局部特征进行适当简化，简化后的摆臂有限元模型如图1所示。

图1　摆臂有限元模型

1.3　摆臂工作过程

摆臂工作过程如图2所示。蜂窝夹层摆臂在P处拾取高效精密轴并运送至P′处。

2　动力学仿真

2.1　衰减振动仿真

衰减振动仿真是在单自由度衰减振动基本理论的基础上进行的，通过改变蜂窝夹层摆臂的均布蜂窝数量，以得到衰减系数的变化趋势。设蜂窝数分别为0、10、15、20、25、30，且为单排居中均匀分布。

摆臂的振动模型可简化为如图3所示的单自由度振动模型。单自由度等效模型可看成是质量为m、刚度为k、阻尼为c的刚体系统，随着均布蜂窝数的增加，摆臂的物理属性随之改变。仿真时，摆臂的一个端面固定，对自由端施加冲击载荷，冲击载荷施加方式如图4所示，即从0 N开始增大至最大值20 N。

1-卡盘；2-工件；3-蜂窝摆臂；4-气缸；P-抓取位置；P′-加工位置

2.2　周期性冲击仿真

高效精密轴双面打孔装置的设计加工速度为每分钟75个工件，即周期为0.8 s。仿真时对摆臂的自由端施加周期性的冲击载荷，每次施加的独立冲击载荷与衰减振动仿真时的冲击载荷一致。该仿真主要研究某加工周期下摆臂的扰动情况，输出摆臂自由端的振动响应，在满足周期性载荷冲击作用下以最大振幅小、衰减速度快时的蜂窝数为最优。

图3　单自由度振动模型

3　仿真结果分析

3.1　衰减振动仿真结果分析

由仿真结果可知：由于均布单列蜂窝数量增加，悬臂梁的刚度减小，导致受相同激励时最大振幅呈递增的趋势(如图5所示)，表明在摆臂自身材料减少时刚度随之降低；衰减系数在蜂窝数为0～18时,随蜂窝数的增加呈上升趋势，在蜂窝数为19～30时,随蜂窝数的增加呈下降趋势，并在蜂窝数为15～20之间(约为18)有衰减系数的最大值，约为1.66，如图6所示。

图4冲击载荷图5最大振幅变化趋势图6衰减系数变化趋势

3.2　周期性冲击仿真结果分析

周期性冲击时摆臂自由端的振幅响应如图7所示。由图7可看出，第1个周期内均布各蜂窝数的摆臂振幅响应变化较大，且呈先递增后递减的趋势；在第2个～4个周期，自由端振动响应趋于平稳。为了便于分析蜂窝数对摆臂自由端振幅响应的影响，故用自第2个周期起的4个冲击周期加载前的摆臂自由端振幅响应值的均值分析摆臂的平稳性。由图7可知，在蜂窝数为20时，摆臂的自由端振幅响应最为平稳，周期性冲击的振幅响应最小，约为0.07 mm。因此，单列均布蜂窝数为20时蜂窝夹层摆臂性能最优。

4　结论

采用有限元的方法对蜂窝夹层摆臂的冲击振动响应进行仿真分析，得出蜂窝摆臂的振动衰减规律及对周期性冲击的响应规律。采用单排蜂窝的方式设计摆臂，衰减系数随着蜂窝数的增加会出现最大值，约为1.66。采用周期性冲击仿真分析摆臂的平稳性，得出均布蜂窝数为20时，蜂窝摆臂端振幅对周期性冲击响应最小，最大振幅均值为0.07 mm。结果表明衰减系数最大时蜂窝摆臂对周期性冲击的响应最小，即受周期性冲击载荷时摆臂的振动衰减最快及振幅响应值最小，有利于高效精密轴双面打孔装置提高加工效率和加工精度。