基于有限元模态分析的细胞涂片离心机设计

     1 引言

   本文采用Catia建立细胞涂片离心机的虚拟样机模型,考虑离心机转子可能出现质量偏心等问题,采用SimDesigner对样机模型进行模态分析,对细胞涂片离心机的转动系统进行结构优化。

    2 细胞涂片离心机关键结构

    细胞涂片离心机的转动系统主要包括:底座、减振器、电机和脚座。转动系统结构性能的好坏直接影响产品的使用寿命、工作噪音。图1所示为细胞涂片离心机的转动系统,是整个虚拟样机模型中的关键结构（如图1）。

    3 转动系统的模态理论模型

    振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法了解结构系统在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性,能够预言结构在此频段内,在外部或内部各种振源作用下实际的振动响应,从而为调整结构设计或者机器运行参数提供参考的依据,避免转动系统在受到作用力激励下产生的共振,提升产品质量。

    以能量法进行振动特性分析的基础是哈密顿原理,在模态的数值分析中,首先将结构离散化,从而任何一个无阻尼线弹性结构振动保守系统的自由振动方程可表示为 :

其中,[M]和[K]分别是总体刚度和质量矩阵,[C]由阻尼矩阵和陀螺力矩阵组成,{F(t)}为外力矢量。若无外力作用,即{F(t)}=0,则得到系统的自由振动方程。在求解结构自由振动的固有频率和振型时,阻尼对它们的影响不大,可以忽略。因此系统的自由振动方程如下:

    假设结构做如下简谐振动 :

    可得到齐次方程:

    这 个 方 程 的 根 为即为方程的特征值。为结构的自然振动圆频率,则自然频率。相应的向量是 ,它表示振型,即结构以f_i振动时的形状。这里的[M]和[K]保持为常数。

    4 转动系统的有限元模态分析

    SimDesigner构建于Catia的体系结构之中,使得虚拟样机建模和有限元仿真分析能够无缝接合。本文在采用Catia建立细胞涂片离心机虚拟样机模型的基础上,直接采用SimDesigner对细胞涂片离心机的转动系统进行模态分析。

    4 . 1 模型的模态分析

    通过模态分析,得到转动系统前6阶模态频率,并由模态频率推算出转动系统的临界转速。如表1所示。

    细胞涂片离心机设计的最大转速为3000r/min,已经大于系统的前 5阶临界转速,而转动系统的前5阶临界转速出现在细胞涂片离心机的最大转速范围内,会引起转子系统的共振现象。而在实物样机中,当离心机的转速在1800～2200r/min以及接近3000r/min的范围内,离心机出现明显共振 ,工作噪音突然增大,达到了66dB。由此可知仿真的结果与实际情况接近。由于共振会导致转动系统振幅增大,转子偏离轴心较大,振动噪声偏大,电机寿命降低。为防止这种情况,在电机最大设计转速不可改变的情况下,需要调高转动系统的前5阶模态频率和临界转速,以使电机的最大设计转速低于各阶临界转速,确保系统不产生共振。图2是转动系统各阶模态的阵型。