基于ANSYS的高速旋转圆盘预应力与模态分析

林森海，张文辉，陈荣昌，江　洁，叶晓平

(1.浙江斯凯瑞机器人股份有限公司，浙江 丽水 323000；2.丽水学院 工程与设计学院，浙江 丽水 323000)

基于ANSYS的高速旋转圆盘预应力与模态分析

林森海1，张文辉2，陈荣昌1，江洁2，叶晓平2

(1.浙江斯凯瑞机器人股份有限公司，浙江 丽水 323000；2.丽水学院 工程与设计学院，浙江 丽水 323000)

摘要：高速旋转圆盘是旋转机械装置的基本构件，在自动化装备中应用广泛。笔者对高速旋转圆盘进行了预应力分析，结果表明圆盘在高速旋转状态下力学特性表现出显著的非线性特性，与低速和非旋转状态相比，呈现迥异的力学性能。特别是中心空孔处会出现应力集中现象，极易引起剧振进而断裂失效。鉴于此，文中进一步对高速旋转圆盘进行了模态分析，通过振型分析获得适合的工作频率，避免共振影响。

关键词：高速旋转圆盘；有限元；预应力分析；模态分析

圆盘是旋转机械装置中最典型的基本结构元件，广泛应用于各类自动化及机电设备中[1]。当内部充满液体的圆盘在转轴带动下同步高速旋转时，会表现出与圆盘在非旋转或低速旋转状态下迥异的流体力学性能[2-3]。高速旋转薄片刀具通常指锯片式铣刀、砂轮片和锯片,它们在硅材料、复合材料和木材等加工中具有重要作用。由于被加工材料的贵重性和加工质量的要求, 要求旋转加工刀具的厚度越来越薄, 旋转速度也越来越高。

ANSYS软件是当前国际上通用的大型有限元分析软件，在工业、化工、航空航天、电子能源、土木建筑等各个行业领域应用广泛。ANSYS功能强大，仿真精度高，目前已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的有限元分析评比中都名列第一[4-6]。

本文基于ANSYS软件对高速旋转圆盘进行了预应力分析，结果表明圆盘在高速旋转状态下力学特性表现出强烈的非线性特性，与低速和非旋转状态相比，呈现迥异的力学性能，特别是中心空孔处会出现应力集中现象，极易引起剧振导致断裂失效。鉴于此，文中进一步对高速旋转圆盘进行了模态分析，通过振型分析获得适合的工作频率，避免共振影响。

1高速旋转圆盘有限元模型建立

高速旋转圆盘的轴孔处完全约束，定义材料及尺寸参数如下：

①性模量为2.07e11 N/m2；

②泊松比为0.3，密度7 800 kg/m3；

③旋转速度115 rad/s；

④圆盘φ525 mm，中孔φ55，厚0.03 mm。

采用国际通用大型有限元分析软件ANSYS进行研究，具体步骤为[7-9]：

1)定义建模类型。分析类型定义为结构建模，即Structure选项。

2)选择建模类型。在有限元分析类型Element Type中选择“壳”类型。

3)定义材料属性。定义Structure、Linear、Elastic、Isotropic。输入弹性模量2.07e11，泊松比0.3，材料密度7 800 kg/m3。

4)建立几何图形。完成布尔减运算后，模型建立如图1所示。

图1　圆盘参数化建模

5) 划分网格模型。利用ANSYS的Mesh Tool命令进行网格划分，如图2所示。

图2　圆盘有限元模型建模

2高速旋转圆盘预应力分析

对有限元模型进行预应力求解分析，具体步骤为：1)首先对其定义力学分析类型为Static分析；2)施加约束与载荷位于圆盘中孔处；3)进而选择求解器Solution Controls求解。求解后的应力云图和应变云图分别如图3和图4所示。

图3　高速圆盘应变云图

图4　高速圆盘应力云图

3高速旋转圆盘模态分析

对高速旋转圆盘进行模态分析，具体步骤为：

选择Model Analysis命令进行分析，选择Solution解算器进行结算，得到高速旋转圆盘前三阶模态的应变如图5所示。

a)一阶模态应变图

b)二阶模态应变图

c)三阶模态应变图

由图5可以看出，固有频率不同，应变值不同，且随着固有频率增大，应变出现递增趋势。当频率达到257 Hz时，此时应变最大，达到0.215。

利用ANSYS的模态解算器进行结算，获得高速旋转圆盘前三阶模态的振型如图6所示。

a)一阶模态振型图

b)二阶模态振型图

c)三阶模态振型图

振型是指结构体系的一种固有的特性。它与固有频率相对应，为所对应的固有频率体系的自身振动的形态，每一阶固有频率都对应一种振型。由图6可以看出，随着频率增大，其振动形态变化呈现激烈趋势。

4结论

高速旋转圆盘是旋转机械装置的基本构件，在各类自动化及机电装备中应用广泛。本文对高速旋转圆盘进行了预应力分析，结果表明圆盘在高速旋转状态下力学特性表现出强烈的非线性特性，与低速和非旋转状态相比，呈现迥异的力学性能。特别是中心空孔处会出现应力集中现象，极易引起剧振进而断裂失效。鉴于此，文中进一步对高速旋转圆盘进行了模态分析，通过振型分析获得适合的工作频率，避免共振影响。

[参考文献]

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(责任编辑：张凯兵)

收稿日期：2016-03-03

基金项目：国家科技支撑计划项(2013BAC16B02)

作者简介：林森海(1967-)，男，浙江青田人，浙江斯凯瑞机器人股份有限公司高级工程师，博士。

中图分类号：TD421

文献标志码：A

文章编号：2095-4824(2016)03-0084-03

张文辉(1980-)，男，河南正阳人，丽水学院工程与设计学院副教授，博士。