剪叉机构铰链耦合模型的分析

□ 马骊溟 □ 向 东 □ 许海波

长安大学 汽车学院 西安 710064

1 分析背景

剪叉机构除了可以广泛应用于移动式工作台外[1-2],还能够应用于高速机床内防护系统的防护罩[3-4]。机床内防护系统的工作动力来源于机床工作台与剪叉机构,剪叉机构的强度和使用寿命是防护系统工作运动的关键。以往对剪叉机构进行有限元分析时,只是简单地对剪叉机构上的销钉、螺母进行简化,如将螺母外倒角、内螺纹和销钉倒角、外螺纹去除,从而减小有限元分析时剪叉机构网格划分的难度[5]。然而这样并不能减小计算机的计算量,并且对计算机配置的要求也很高。当计算量过大时,还容易出现计算不收敛问题,导致分析报错。笔者以某高速机床防护罩剪叉机构为研究对象,基于刚化模型和铰链耦合模型对剪叉机构进行对比分析,以验证铰链耦合模型的正确性和合理性。

2 铰链耦合模型

剪叉机构铰链耦合模型应用ABAQUS有限元分析软件建立。铰链耦合模型将传统有限元分析时需要保留的销钉、螺母、垫片全部去除,只保留铰链片[6],模型由此大为简化。在铰链耦合模型中,铰链片销钉孔轴线上的中心点称为耦合点,用于代替销钉,铰链片绕销钉的转动简化为耦合点转动。单个铰链片耦合模型如图1所示。

在ABAQUS软件中采用耦合约束时[7],剪叉机构通常为上下两片铰链片一起绕销钉转动,因此在建立铰链耦合模型时还需要建立连接指派,将上铰链片耦合点和下铰链片耦合点用一条虚拟的线连接起来。耦合点连接指派如图2所示。

图1 铰链片耦合模型

图2 耦合点连接指派

3 有限元模态分析

在剪叉机构中,铰链片材料为冷轧碳钢钢板,牌号为65Mn,屈服强度为785 MPa,抗拉强度为895 MPa。销钉和螺母材料为高强度合金钢,屈服强度为1 080 MPa,抗拉强度为1 200 MPa。

应用有限元方法进行模态分析,需要提取结构的固有频率。在理想情况下,希望得到各阶模态固有频率,但实际上没有必要[8],原因是低阶模态频率响应对结构的影响远远大于高阶模态。因此,在实际有限元模态分析时,通常舍弃高阶模态,只关注前几阶模态,虽然这种方法存在一定误差,但是会显著减小计算机求解过程的计算量。这种方法称为模态截断[9]。笔者对剪叉机构进行有限元模态分析时,只提取前八阶固有频率。

3.1 刚化模型

为了验证剪叉机构铰链耦合模型的正确性和合理性,首先对剪叉机构刚化模型进行模态分析。剪叉机构刚化模型带有销钉。剪叉机构刚化模型前八阶固有频率见表1,前八阶振型如图3所示。

表1 剪叉机构刚化模型前八阶固有频率

3.2 铰链耦合模型

剪叉机构铰链耦合模型前八阶固有频率见表2,前八阶振型如图4所示。

表2 剪叉机构铰链耦合模型前八阶固有频率

4 结果对比

剪叉机构刚化模型和铰链耦合模型前八阶固有频率对比见表3。

表3 剪叉机构前八阶固有频率对比

图3 剪叉机构刚化模型前八阶振型

由表3可知,剪叉机构铰链耦合模型的固有频率比刚化模型低,这是因为与刚化模型相比,铰链耦合模型去除了销钉。总体而言,剪叉机构铰链耦合模型与刚化模型有限元模态分析的结果差别不大,误差在5%左右,验证了铰链耦合模型的正确性和合理性。

5 结束语

笔者以某高速机床防护罩剪叉机构为研究对象,建立了剪叉机构铰链耦合模型,对剪叉机构铰链耦合模型和刚化模型进行有限元模态对比分析,得到了前八阶振型,验证铰链耦合模型的正确性和合理性。

通过研究确认,采用铰链耦合模型,能够显著减小有限元分析的工作量和计算机的计算量,取得良好的分析效果。

铰链耦合模型还可以推广应用至一般装配件的螺栓连接,当对含有螺栓连接的装配件进行模态分析时,可以考虑采用铰链耦合模型。

图4 剪叉机构铰链耦合模型前八阶振型