基于ANSYS workbench的上料机十字轴模态分析

任有志 赵佳兴

摘 要：利用SolidWorks对长轴进行建模装配，导入ANSYS中先进行静力学分析，得到长轴的强度和刚度特性，然后进行模态分析，得到长轴的前六阶固有频率及相应的变形云图，从而为长轴的设计改进提供依据以及为电机运行频率提供参考。

关键词：模态分析;SolidWorks;十字轴;有限元

中图分类号：TH122文献标识码：A

振动是一种常见的物理现象，由于振动而引发的共振、疲劳破坏等会严重危害機器的使用寿命以及安全性。模态分析用于振动测量以及动力学分析，其测得的固有频率、模态振型等参数对于机械结构的安全有极其重大的意义。

自动送料机是一种自动化的材料输送设备，相比较传统送料机操作更加的简便，自动化程度更高，而实现这些环节的自动化将大大提高生产效率，减少成本，减少事故的发生。

两手臂间距为三米，传动轴整轴加工成本高，而且难以保证精度，为降低成本，将整轴改为十字轴结构，如图1所示。

1 静力分析

上料机的危险位置是手臂与水平方向平行，此时上料机所受重力矩最大，十字轴所受阻力矩最大，上料机最大上料重量为150KG，此时阻力矩为150N·M，将模型存为IGS格式后导入ansys中，设置材料为45钢，其材料参数如下表1。

划分网格时选择的ansys默认四面体网格划分，指定尺寸为3mm，最后划分得到单元124912个，节点35442个。

在十字轴的两端施加两个固定约束，在链轮轴处施加扭矩2160N·M，手臂轴处施加扭矩750N·M，求解可得十字轴的变形图及最大应力图如图2-3所示。

十字轴的最大变形为0.4255mm，发生在十字轴方块连接以及链轮轴轴肩处，最大应力为129.98MPa，小于45钢的最大屈服应力355MPa，结构安全。

2 模态分析

2.1 模态分析理论

在一般运动系统中，动力学通用运动方程：

2.2 模态分析

在静力分析项目中，邮寄[Solution]单元，从弹出的菜单中选择[TransferData to New]-[Modal]，创建模态分析模块，并且实现了与静力分析模块的数据共享。指定模态提取方法为 Blocklanczos，设定模态提取阶数为6，即分析十字轴前6阶固有频率。十字轴前六阶频率表2，图4-9表示其前6阶固有频率对应的振型图。

3 结论

（1）通过SolidWorks与ansys的联合仿真，分析了上料机在危险工位处的十字轴的最大变形量与最大应力，验证其安全性。

（2）通过模态分析得到其前六阶固有频率，在电机根据PWM原理调速时能够避开这些频率，避免发生共振，破坏机器。

（3）通过模态分析能够直观的看出十字轴各阶固有特性，为以后的优化合理改进提供了重要参数，节省试验成本和时间。

参考文献：

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