旋转式生产线旋转平台的模态分析

张延虎

[摘 要]旋转平台是旋转式生产线的核心机构，是直接影响旋转式生产线工作状态的关键部件，模态分析能够得到模型的固有频率及振型等相关信息，由于系统的固有特性表明了在哪些频率下结构会产生共振以及在各阶频率下结构的相对变形，因此对于改善结构动态特性具有重要意义。

[关键词]旋转式，ANSYS，建模，划分网格

中图分类号：TU552 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）07-0228-01

1 引言

在现实生活和工程实践中，普遍存在着振动现象。共振是机械结构不可避免的问题之一，利用大型有限元分析软件ANSYS对设计的结构进行模态分析，可以有效地预估结构的振动特性，优化结构设计。系统的振动特性是动力特性的一个普遍存在形式，本文针对旋转平台的振动特点，采用ANSYS有限元技术分析旋转平台在工作过程中的振动情况，利用模态分析从而实现旋转平台振動过程的仿真分析，获得旋转平台的模型振型及固有频率等相关信息，为旋转平台的振动分析提供了一种有效可行的理论分析方法。

2 旋转式生产线结构介绍

旋转式生产线的整体结构设计为相互独立而又相互协同工作的机构模块，每个机构模块间的机械动作相互配合，按模块实现的功能不同，该主线可以分为以下几个具有独立功能的单元模块：

旋转平台、刹车机构、清洗机构、托板机构、齿轮传动机构、冲压机。

为了使旋转平台能正常工作，运行稳定，避免出现共振现象，以满足结构的基本设计要求，本文将使用有限元分析软件ANSYS对旋转平台整体进行了模态分析。

3 旋转平台的模态分析

3.1 建立旋转平台模型

ANSYS可以在其交互式图形界面中方便快捷的建立模型，也可以通过UG、solidWorkS、Pro/e等CAD软件建立模型，然后再导入ANSYS软件。本文中的模型比较复杂，故先严格按照旋转平台的实际尺寸在solidworks中进行建模，建立的旋转平台模型如图1所示，然后导入ANSYS。

在ANSYS中对模型的材料进行定义，在Engineering Data菜单中添加新材料，齿轮环采用的材料选用中碳合金结构钢40Cr，其他零部件均为钢件，在本分析中须定义两种材料属性，即中碳合金结构钢40Cr和结构钢（Structural Steel）。对材料属性的定义，一般包括杨氏模量（Youngs Modulus）、泊松比（Poissons Ratio）、密度（Density）等参数，由于模态分析是结构动力学分析，所以不必要定义其全部属性。

3.2 旋转平台的网格划分

为所有的部件设定好材料属性后，对模型进行网格划分。在进行模型的网格划分时，要根据零件设计的要求进行，如果有限元网格划分太密，会使求解器变得太复杂，如果网格划分太疏松，又会影响求解的精度[1]。所以，选择合适的网格划分模式，选择不同的网格单元及其疏密程度，是提高分析效率的重要内容，能够为零件设计分析提供更为真实的数值参考。在ANSYSWorkbench中，程序提供了6种三维几何模型的网格划分方法，它们分别是：①四面体网格划分[2][3]；②自动划分；③扫掠网格划分；④六面体网格划分[4][5]；⑤多区网格；⑥CFX-网格；由于本模型比较复杂，且模型较大，本模型完全采用ANSYS提供的自动划分网格功能，对高速旋转台模型的网格划分。如图2所示，在此模型中，一共划分了111166个网格单元以及202501个节点。

3.3 对旋转平台施加约束

由于整个旋转平台绕着中心轴旋转，旋转台的底部有支撑体支撑，为了模拟实际工作情况，本文在Connections中对齿轮环和小齿轮添加一个Revolute-ground约束。

小齿轮和大齿轮环在啮合的过程中是相互接触的，在进行模态分析的时候，约束不同则计算出来的刚度矩阵不同，固有频率也就不同。因此，在进行模态分析之前，应该为两齿轮添加接触。

3.4 旋转平台模态分析求解与结果分析

旋转平台的外部激励主要是两齿轮的啮合激励，根据齿轮啮合频率的定义，齿轮啮合频率等于该齿轮的转频（转每秒或Hz）乘以它的齿数。即可以得出齿轮的理论啮合频率，啮合频率=1/T×齿数=1/60x230=3.7HZ。故在考虑旋转平台的模态分析时，只要其固有频率不在该区间就可以避免共振。即如果有任何一阶的频率和其他机构的相同或是很接近，就可能发生共振。在ansys中，程序默认设置的模态阶数是1～200，默认值是4，频率范围默认设置为0Hz～1e+08Hz。针对本文的分析，这样的设置足以掌握旋转平台在其中的振形变化，分析是否产生共振现象，无需修改。

在ANSYS的后处理器中可以查看到模态分析的结果，如表1所示为一到四阶的固有频率。

由以上图中可以看出，一阶固有频率与齿轮啮合的激励频率非常接近，这是因为旋转平台的旋转驱动来源即为齿轮的啮合，一阶振型为旋转平台沿z轴旋转，而x、y方向没有变形，故不会对整个旋转台造成损害，振幅由内向外逐渐增大，因此，可以将其发生的共振现象看作旋转平台在旋转时所产生的惯性。

二阶固有频率与一阶固有频率相差较大，两者数值将近相差4倍，二阶振型位移为旋转平台沿z方向的上下摆动，振幅由中心向两边逐渐增大，最大相对位移在y方向的两个最外端。

三阶振型为旋转平台沿着Z方向的摆动，扭转幅度由内向外逐渐增大，最大位移产生在沿x的负方向的最外端。

四阶振型为旋转平台沿z方向的扭转摆动，扭转幅度由内向外逐渐增大，最大位移产生旋转平台的最外端的四个角。

由于齿轮啮合的激励频率为3.7Hz，而能产生沿z方向上下变形的振型的固有频率最小为12.804Hz，两种相差较大，故整个旋转平台不会产生共振现象，避免了在z方向发生抖动。对旋转平台进行模态分析后，可以得出旋转平台在运动过程中受到外界激励频率的影响很小，不会对其造成破坏。

3 结论

运用solidworks三维软件对旋转平台的各零部件进行三维建模。利用Ansys Workbench有限元分析平台对旋转平台进行模态分析，得到旋转平台的固有频率以及其在不同频率下的振型图，使其避免产生共振，为整个旋转平台的设计提供了有力的理论依据，从而减少设备调试时间，缩短新产品开发的周期。

参考文献

[1] WEI F S. Analytical dynamical model improvement using vibration test data[J]. AIAA Journal，1998，28（1）：23-25.

[2] 王明强，朱永梅，刘文欣.有限元网格划分方法应用研究[J].机械设计与制造，2004（1）：22-24.

[3] 雷永刚，卫原平，阮雪榆.三维有限元网格自动生成典型方法与发展方向[J].机械科学与技术，1999（2）：311-313.

[4] S.Chae and K.Bathe，On automatic mesh construction and mesh refinement in finite element analysis[J].Computers&Structures，2000，32（4）：911-936.

[5] T.C.Woo and T.Thomasma，An algorithm for generating solid elements in objects with holes，Computers&Structures，2009，18（2）：333-342.