压力机机身振动特性的模态分析

　　压力机机身是一个弹性系统,在一定条件下会产生激振力,引起振动。若机身作强迫振动时所受外界激励的频率接近于系统频率,则振动的振幅可能达到非常大的值,从而发生共振,共振会严重影响生产加工的正常进行。

　　压力机的负荷往往是短期高峰负荷,对机器及周围环境产生冲击作用,会产生结构振动噪声和空气动力性噪声[1]。随着压力机工作速度的不断提高,振动和噪声问题愈来愈引起人们的关注。所以,其动态性能和振动问题的分析也愈来愈重要。因此,在进行结构设计时,还必须考虑到各种动态因素的影响,对结构进行详细的动力分析[2],以达到抗振、安全、可靠的目的。机身是压力机中最为关键的受力构件。要保证压力机的正常工作,在保证机床床身有足够的静强度和刚度的同时,还必须要考虑工作时压力机的振动情况[3]。

　　1 压力机机身的模态分析

　　模态固有频率和各阶振型解法大致可分为矢量迭代法和相似变换法。本文采用的是Lanczos法,它是一种基于矢量迭代的递归算法,其算法简单、运算速度快、精度高,对病态矩阵反应较好,特别适用于大型对称特征值求解问题[6]。本文以JG21)250压力机的机身为例进行模态分析,分析过程主要包括建立模型、加载求解、扩展模态和观察结果四个步骤。

　　1.1 机身建模及导入ANSYS

　　(1)压力机机身属于大型复杂结构件,结构细节多,形状变化大。因而在建模前需对机身进行一些合理的简化[7]。本文根据机身结构的形式及受力特点,略去了一些尺寸较小不作为主要承力部件以及明显不会影响床身整体强度及刚度的部位,如略去了机身上一些螺栓孔和销钉孔。在这个过程中关键是既要对分析对象进行合理简化以便于计算,又要确保原始分析对象的主要结构力学性能不发生变化。

　　(2)本文中采用UG NX5. 0建模,然后将建模所生成的*. prt文件转换为Parasolid格式文件导入到ANSYS中(如图1所示)。由于UG采用的是Pa-rasolid内核,因此转换过程比较方便,相比之下数据不易丢失。也可以模型转换为IGES格式或CATIA格式等,但可能会造成数据丢失,且生成的转换文件较大。

　　1.2 有限元单元类型的选取

　　在选择单元时,不但要全面反映结构的力学特性,同时也应尽可能选择简单的单元以节约计算时间。

　　常用的三维实体结构单元有SOLID45 (8节点), SOLID92 (10节点), SOLID95 (20节点)和SOLID186(20节点)等。本文采用的是四面体八节点线性单元SOLID45,四面体单元有很好的曲线边界适应性,对边界形状复杂实体应用起来非常方便。SOLID45单元每个节点有三个移动自由度,同时指定单元边长,其位移函数是线性的、单元应力和应变是常数[8]。可以得到比较均匀的单元,也可节省计算时间。