深孔加工动力减振镗杆的有限元分析

湘潭大学兴湘学院 毕业设计说明书 题 目： 减振镗杆的有限元分析 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014 年 5 月 20 日 2 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 减振镗杆的有限元分析 学号： 姓名： 胡 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 系主任： 一、 主要内容及基本要求 主要内容： 1.镗刀杆具体在机床中的安装情况，与刀具的连接情况以及镗刀杆具体的工作环境状况。 2.镗削加工所能达到的精度以及具体孔加工所要求达到的精度并找出影响这些精度的因素，并对这些因素进行分析，选出主要影响因素。 3.镗刀杆在加工和使用过程中各个因素（比如：切削用量，外界激励）对刀杆的强度，刚度，以及震动特性的影响。并求 出刀杆应力应变分布云图找出应力集中的位置和其各阶共振频率和振型图。 基本要求： 1.大量搜集资料了解镗杆具体在机床中的安装、与刀具连接以及工作环境的情况。读阅相关书籍了解镗削加工的具体方式，各种方式适用的条件，镗削加工所能达到的精度情况。在孔加工中，找出影响加工质量的因素并找出主要因素。 2.建立镗床刀杆的实体模型。具体采用三维软件进行模型的建立，选用合适的材料。 2.用有限元软件进行静力分析。 3.用有限元软件进行进行模态分析。 二、 重点研究的问题 通 过有限元分析软件分析出镗床刀杆在各种边界约束条件下的应力、应变，分析出模态特性，为镗刀杆的结构设计和加工制造提供依据。 3 三、进度安排 四、应收集的资料及主要参考文献 1 成大先 .机械设计手册 M.北京：化学工业出版社 ,2002 2 刘松主编 .有限元分析在镗杆设计中的应用 M.北京：机械工业出版社 ,2006 3 傅志方 .振动模态与参数识别 M.北京：机械工业出版社 ,1990.9 4 王守信，董绍华等 .铣床振动模态分析研究 N.内蒙古：内蒙古民族师范学院学报，1995.5 5 廖念钊主编 .互换性与技术测量 M.北京：中国计量出版社， 1998 6 王先上 .车床振动的自动控制 N.北京：机械工程学报 ,1986 7 张杰斌，张涌 .减振原理在镗杆上的应用 M.北京：机械工业出版社 ,2004.11 8 郭长城 .应用减振器控制振动的两个实例 M.北京：机械工业出版社 ,2005.10 9 王民等 .切削系统可变刚度结构及其颤振控制方法的研究 N.北京：机械工程学报 ,2002 10 王世龙，王丽娜 .提高镗杆刚度的一种措施 N.吉林：吉林工学院学报， 1999 11 陈晓霞 .ANSYS7.0 高级分析 M.北京：机械工业出版社 ,2004 12 李启堂，胡荣生 .动力吸振器在镗杆中的应用 M.北京：机械工业出版社 ,1997 序号 各阶段完成的内容 完成时间（ 2013 年） 1 查阅资料并完成开题报告的编写 3 月 1 日 3 月 15 日 2 进行外文文献翻译 3 月 16 日 3 月 20 日 3 分析，整理资料，看 ANSYS 教学 3 月 25 日 3 月 30 日 4 开始进行镗杆的建模与分析过程 4 月 1 日 4 月 15 日 5 整理分析结果 撰写论文，整理全部资料 4 月 16 日 5 月 10 日 6 准备毕业设计答辩 5 月 10 日 5 月 28 日 7 交论文、毕业答辩 5 月 28 日 5 月 30 日 4 目录 中文摘要 .1 英文摘要 .2 第一章 绪论 1.1 课题研究的学术背景 .4 1.2 减振镗杆的国内外研究水平和发展趋势 .5 1.3 课题来源 . .6 1.4 主要研究内容、设计方法 . .7 1.4.1 主要研究内容 .7 1.4.2 建立减振系统的数学模型 .7 第二章 有限元分析软件 ANSYS. 2.1 有限元分析软件 ANSYS 简介 .8 2.2 ANSYS 软件的组成 .8 2.3ANSYS 软件主要特点 .9 第三章 减振系统结构设计与数学模型的建立 3.1 镗杆杆体材料的选择 . .9 3.2 镗杆的结构设计 .10 3.3 阻尼器的设计 . .10 3.3.1 几种可选材料 .10 3.4 阻尼液的选取 . 10 3.5 弹簧的选择 . .11 3.6 可选材料的特性 .11 3.7 弹簧材料的选取 .12 3.8 减振块的设计 . .13 3.9 刀头的选择 . .13 3.9.1 减振系统数学模型的建立 .13 3.9.2 对切削力的分析 .14 3.9.3 系统运动方程的建立与求解 .14 第四章 模型建立 4.1 多刚体动力学模型的建立 . .15 4.1.1 模型的坐标系统 .16 4.1.2 模型的建立 .16 4.2 多柔体动力学模型的建立 .16 4.2.1 模态中性文件的建立 . 16 5 4.2.2 单元类型和材料参数 .17 4.2.3 定义单元实常数 .18 4.2.4 有限元模型的建立 .19 4.2.5 模态中性文件 (mnf)的输出 .20 4.3 ADAMS 与 ANSYS 的接口 .21 第五章 样机 的仿真与参数化分析 5.1 减振系统固有频率的求取 . .22 5.2 减振系统当量质量的确定 .23 5.3 系统参数的确定 . .23 5.4 模型在 频域内的仿真结果 .27 5.5 结论 . . .27 5.6 参数分析 . .32 5.7 设计参数变量化 . .32 5.8 定义目标函数 . . .32 5.9 分析弹簧刚度系数对刀刃跳动量的影响 .33 5.9.1 分析阻尼系 数对刀刃跳动量的影响 .33 结论 . .34 参考文献 . .34 附件、 外文资料 .37 6 深孔加工动力减振镗杆的有限元分析 摘要 随着金属加工行业的发展，市场竞争日益激烈，对加工质量和加工效率提出了越来越高的要求。深孔加工由于其特殊的加工环境，使镗杆杆体的尺寸和形状都要受到一定的限制，造成了镗杆的刚度较低，特别是在镗杆的长径比比较大的情况下，镗杆的刚度会更小，这将严重影响加工质量，甚至使加工无法正常进行。如何减小镗 削过程中的振动已成为迫待解决的问题。 要研究镗杆的切削过程，就必须建立镗杆系统的动力学方程。而用传统的方法是不可能建立一个精确的动力学方程的。虚拟样机技术的出现提供了一个解决问题的方法。虚拟样机技术的核心是机械系统动力学、有限元理论和控制理论等建模理论及其技术的实现。有限元分析与机械系统仿真拥有相同的系统动力学求解基础，它们之间结合起来，可更好地实现机械系统刚柔耦合动力仿真分析研究。利用虚拟样机技术可实现机械系统动力学方程的自动生成并精确求解，可在研究阶段预测镗杆的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高 产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。 本文借鉴了国外先进的镗杆制造技术，采用内置式动力减振的结构来增加镗杆的动刚度，并对动力减振镗杆进行了结构设计，建立了减振系统的数学模型。在运动特性分析和结构优化中采用虚拟样机技术，利用 ANSYS 软件联合建立了减振系统的多柔体动力学模型。以减小镗削过程中刀刃的径向跳动量为目标对动力减振镗杆虚拟样机进行仿真优化分析，得出了减振系统的最优参数。 关键词 :减振器；镗孔；虚拟样机；动力学仿真；参数化分析 7 Dynamic Simulation and Parametric Analysis of Dynamical Vibration Absorption Boring Bar for Deep-Hole Processing Abstract With the developmem of metal machining industry and the increasingly fierce market competition， the higher demand for machining quality and efficiency is put forward The size and shape of the boring bar are restrictedbecause of the special machining condition in the deep hole processing This produces the low stiffness of the bodng bar which will become lower especially with the big length diameter ratio ofthe b ar Thc machining quality will be badly affected and the machining call not be on the rails due to the lower stiffness How to reduce the vibration in the boring processing has become an urgent problem The dynamical equation of boring bar system must be build up for studying the cutting processing of the boring bar But all accurate dynamical equation can not be built with the traditional method The appearance of virtual prototype technology offers a way tO solve the problem， The core of the virtual prototype technology is on the realization of modeling theories and technology,mechanical system dynamics， finite element theory and control theory,etc The finite element analysis and mechanical system simulation， which have the same solution foundation of systematic dynamics， combine to achieve accurate simulating analysis of coupling motive between the rigid and flexible By using virtual prototype technology,we carl realize the automatically building and accurately solving of the mechanism system dynamical equation ， predict and optimize the system dynamics performance in the course of studying 11le improvement of product properties， construction period and expense reduction are achieved Reference of the foreign advanced manufacture technology of boring bar is used in this article We adopt a boring bar with dynamical vibration absorption system in it tO increase the stiffness of the boring bar,design its structure， set upthe mathematicaI model of the vibration absorption system In the movement characteristic analysis and structure optimization virtual prototype technology is adopted， and multi flexible body dynamical model of the vibration absorption system are build up by using the So,ware of ADAMS and ANSYS Aiming at reducing the radial vibrational value of the edge of knife in the boring processing， the virtual prototype of vibration absorption boring bar have been simulated， optimized and analyzed，and optimized parameter are obtained finally The analysis skill and the conclusion， especially the building and simulation result of the vibration absorption model， providing reliable evidence for the boring bar with dynamical vibration absorption system in it， are important reference for the method of dynamical vibration absorption and the development and research of severaI of vibration absorption boring bar Keywords vibration absorber； boring operation； virtual prototype； dynamic simulation； parametric analysis 8 第 1 章绪论 1 1 课题研究的学术背景 任何一个强大的国家都必须具有包括金属切削加工在内的强大制造业基础。在整个2l 世纪中，金属切削加工仍是机械制造业的主导方法。切削加工技术广泛地应用于各个领域，并且要求越来越高，特别是对加工精度的要求也越来越 严格。在很多情况下，为了满足对加工的要求，对刀具的性能提出了更高的要求，这种情况在轿车工业中体现得最为明显。从 80 年代起，我国相继从德国、美国、法国、日本等国引进了较先进的轿车车型和数控自动生产线，这使我国轿车的制造工业得到了空前地发展。在轿车制造工业中，决定轿车性能和技术水平的大多数关键零、部件是通过刀具切削加工最终完成的。并且，切削刀具的性能已成了提高轿车零、部件自动生产线加工工艺技术水平、生产效率、制造精度和降低成本的重要保证。同样在加工航空航天等军品工件时。为了提高工件的综合性能来达到某些特殊的要求 ，需要一次成型，所利用的刀具必须实现特殊功能。 在机械加工中内孔加工是所占比例较大的一种重要的加工方法，约占整个加工工作量的 1 4，而深孔加工又在内孔加工中占有很大的比例，所以深孔加工问题是否解决好，将会直接影响机器产品的生产进度和产品质量。特别是在重型机器制造业中，能否掌握它，运用自如，将会对生产有着决定性的影响，也影响到机器产品的质量。而深孔加工中最常见的疑难问题就是细长车刀和镗杆的长径比不够或动刚度不够，从而不能满足被加工工件的要求 通常，长径比小于 4 的镗杆在加工工件时不会产生振动。但是在许 多应用中，例如在车内螺纹和内表面开槽时，振动有可能在长径比为 2 3 之间时就开始了“。当镗杆受到一个持续的切削力时，秆长从杆直径的 4 倍增加到 10 倍时偏差将增加 16 倍。在同样的切削力作用下，杆长迸一步增加到杆直径的 12 倍时，将增加另外的 70的偏差。对于同样的切削力，保持镗杆的直径不变的情况下杆直径由 25mm 增加雪 32mm 会减少 62的偏差。也就是说，在镗杆的长径比大于 4 倍时，镗杆本身的刚度已经明显达不到加工的要求。减少镗杆悬伸长度和增加镗杆杆体的直径对于减少镗杆的变形量是有利的。但是，由于受加工工件尺寸的限 制，改变这两个参数是不现实的另外，通过减少切削用量来降低切削力也可以达到减少镗杆变形量的目的，但这样势必会导致生产效率下降，而且在某些情况下，即使减小切削力也不能达到加工要求，所以这也不是最好的解决方法 为解决此类问题，本文采用内置式动力减振结构的防振镗杆，它可以在造价相对比较低的情况下，实现较大长径比。在机械加工中，利用减振镗杆，可以提高表面加工质量，大大提高工作效率，特别是在深孔加工中运用此减振镗杆，对提高内表面质量以及加快切削速度都会有很大的帮助。 9 1 2 减振镗杆的国内 外研究水平和发展趋势 镗杆对孔进行加工的方式在传统上称为镗孔加工。镗孔加工可以在镗床上进行，也可以在普通车床或者在数控车削加工中心进行加工。 镗孔加工与一般的轴类加工有所区别。一般车床车削轴类零件时，为了使刀具的刚度达到要求，并保证加工的质量，刀具形状可以选择得比较租、比较短。但在进行镗孔加工的时候，镗杆是在被加工的工件内，镗杆的尺寸和形状都要受到一定的限制，造成了刀具的刚度较低，特别是在孔径较小、孔深值比较大的情况下，镗杆的刚度将会更小由于，在切削时，刚度较低的情况下很容易引起切削振动，因此为了减少振动 应尽量增大镗杆的动剐度。 减振镗杆在机械行业的研究中，已经有很长的历史了，但减振镗杆的研究和发展是比较缓慢的。到目前为止，世界上只有为数不多的几家厂商能生产出性价比较好的产品。 在国外，日本三菱公司和东芝公司已经有系列化的产品。如图 1 1 所示，三菱公司的设计思想是减轻镗杆的头部重量，从而使镗杆的动刚度在很大程度上得到改良。从材料力学的角度进行分析可以知道，这种刀具利用了细长杠杆的端部应力的边缘效应，即杠杆端部受垂直于杠杆的作用力时，杠杆端部靠上的那部分的内应力比较小，因此可以忽略不计。当镗杆头部所受的作用力 偏离中心时，头部远离作用力的部分内应力比较小。所以当镗杆受到偏心力时，刀头的那两部分可以切掉一些，这样不仅镗杆头部的重量减少了很多，而且静刚度的减少量也较小，同时镗杆的动刚度在很大程度上的得到了改良。但是应当指出这种处理办法还存在很多的问题，其主要问题是采用头部切除法有很大的局限性，即其长径比不能达到太大。 东芝公司的减振镗杆是在刀具的两边平行的切掉一部分，再用刚度和强度大的材料嵌在两边，从而提高镗杆的静刚度。如图 1 2 所示，这种镗杆的原理简单，其镶嵌在杆两侧的硬质材料和刀体粘结程度是影响镗杆质量的关键因素 。同时由于受到两条加固材料的刚度、厚度和它与杆体粘结的紧密程度的影响，因此长径比的值也受一定的局限。 10 美国 Kenametal 公司生产的减振镗杆 (最大长径比 LfD=8)主要是采用特殊的材料制成，也属于提高镗杆静刚度的一种。 瑞典 Sandvik 公司的减振镗杆 (最大长径比 UD=16)是目前最先进的镗杆，它所采取的方法是给镗杆加内置减振器，如图 1 3 所示。这虽然提高了镗杆的动刚度，但也有它的局限性，例如减振块的密度不可能太大，阻尼器的寿命严重地影响这种镗杆的使用寿命。 国内的一些减振镗杆很多都处于研究阶段， 采用的大多是增加镗杆静刚度的方法，例如在杆体的芯部镶入硬质合金的镗杆嗍嘲。但是大部分的减振措施都是在工艺上进行改良或是在加工过程中采用一些技巧。 到目前为止，国内的工具厂商还没有在减振镗杆的制造方面有大的进展，特别是在制造长径比比较大的镗杆方面，而且对内置式减振镗杆的开发工作也还很少。 1.3 课题来源 本课题来源于齐齐哈尔第一机床厂实际应用项目，解决的问题是如何减小 切削过程中镗杆的径向弯曲振劫增加镗杆的动刚度，减小刀刃在切削时的径 向跳动量是提高深孔加工表面质量的关键。 11 1 4 主要研究内容 、设计方法 1 4 1 主要研究内容 由于在深孔加工中镗秆的弯曲振动对孔的加工质量及对孔的二次加工的影响尤为重要，因此本课题的主要目的是降低镗杆在镗削过程中的弯曲振动，即减小刀刃的径向跳动量，从而提高深孔的加工质量。 利用软件 ANSYS 求出镗杆系统数学模型所需的参数。 1 4 2 建立减振系统的数学模型 1)简化模型； 2)建立动力学方程； 3)解方程，得到各参数之间的关系 12 第 2 章 有限元分析软件 ANSYS 2 1 有限元分析软件 ANSYS 简介 ANSYS 软件诞生于上世纪 70 年代， 在有限元的发展史上，一直作为一个重要成员存在，在激烈的市场竞争中，生存下来并不断发展壮大，目前是世界上最有影响的有限元软件之一。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD软件接 I： 1，实现数据的共享和交换，如 Pro Engineer, NASTRAN， PATRAN， SolidEdge，I-DEAS， AutoCAD 等，是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。 本课题充分利用 ANSYS 强大的建模功 能，生成了虚拟样机的弹性部件，并通过与ADAMS 的接口命令输出了模态中性文件，为振动系统模型的建立奠定了基础。 2 2 ANSYS 软件的组成 ANSYS 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 1前处理模块它为用户提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型，软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料 2分析计算模块包括结构分析 (可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析 )、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的祸合 分析，可模拟多物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。 3后处理模块可将计算结果以色彩等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示 (可看到结构内部 )等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。 2 3 ANSYS 软件主要特点 ANSYS 软件有如下技术特点： 1唯一能实现多场及多场耦合分析的软件。 2唯一实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化大型 FEA 软件。 3唯一具有多物理场优化功能的 FEA 软件。 4强大的非线性分 析功能。 、 5多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置。 6支持异种、异构平台的网格浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件兼容。 7强大的并行计算功能，支持分步式并行及共享内存式并行。 8丰富的网络划分工具，支持自由网格、映射网格、智能网格、自适应网格等，以确保单元形态及求解精度。 9完全交互式的前后处理和图形软件，大大减轻了用户创建工程模型、生成有限元模型以及分析和评价计算结果的工作量。 10 ANSYS 系列的各种产品和适应于各种计算机系统平台的版本为用户提供了各种可能的选择。 13 第 3 章减振系统结构设计与数学模型的建立 3 1 镗杆杆体材料的选择 这里我们所研究的主要是镗杆的振动特性，而在模型中我们所关心的是决定镗杆杆体所用材料的特性参数 密度和弹性模量的值。为了使模型适合对不同材料的镗杆的研究，我们将在模态中性文件的建立中对杆体的材料采用参数化的描述。在系统中选用 45钢来做杆体的材料，如选用其他的材料可通过直接修改相应的变量值来实现。 3 2 镗杆的结构设计 这里我们将选用长度为 500mm、直径为 50mm 的杆体进行设计。对于给定减振块的减振系统的减振效果由减振块所在点的振 动幅值来确定。因此，减振块通常被安装在杆的最远端。另一个决定减振效果的因素是减振系统内部减振块的质量值。在减振系统中减振块必须放在杆的内部。这就限制了减振器沿杆轴向的位置和内部减振块的尺寸。减振块必须放在直径比杆直径小许多的内孔中。为了达到理想的减振效果，减振块必须选用密度值非常大的材料。动力减振镗杆的基本结构如图 3 1 所示。 在图 3-l 所示的动力减振镗杆中，减振块由两个 O 型橡胶圈支撑，并且，减振块被特殊的油状液体所环绕。橡胶在径向的变形与负载之间具有非线性特性。在加工过程中谐振荡 (振动 )一旦产生，减振 系统将立即发挥作用，镗杆的动能将被减振系统吸收。这样就使振动最小化，切削工况最优化。这种结构的镗杆抗颤振能力更强，加工范围广。 镗杆杆体的尺寸选择如图 3-2 所示，但这些尺寸需要经过仿真试验才能知道正确与否。 3 3 阻尼器的设计 阻尼器放置在减振镗杆的内部，并且只有在杆体和减振块之 fBJ 时才能起到减振作用，因此，阻尼器需要选择粘度系数比较大的液体或者是固液混合物。在镗杆进行切削加工时，镗杆的内部温度会升高，但由于冷却液和切屑带走了大部分热量使得镗杆杆体内壁 14 温度不致于过高，这样给我们选择阻尼材料带来很大 方便“”。硅油是一种比较好的液体阻尼材料，很多国外的刀具选用硅油作为减振镗杆的阻尼材料，下面是一些硅油阻尼材料，我们将对他们的特性进行分析比较。 3 3.1 几种可选的材料 1甲基硅油甲基硅油是一种无色透明的油状液体。品种较多，运动粘度可调整范围为 10 1000(MPa s)，同时它的保存时问较长。而且它的颗粒大，不易泄漏。可见甲基硅油是一种很好的阻尼材料，完全可以用在此减振镗杆中。 2高粘度乙基硅油外观无色或淡黄色液体， 20粘度 (MPa s)： 10000- 100000。乙基硅油对金属无腐蚀，且具有粘 度随温度变化小、凝固点低、耐高温、抗氧化、防水性、介电性和润滑性能好。同时他还有较低的蒸汽压、较小的挥发性、较大的可压缩性和低的表面力。所以它也是很好的阻尼材料。 3 4 阻尼液的选取 为了选用合理的材料作为阻尼液，先把阻尼液的参数假定，经过仿真后再确定阻尼液的最佳参数值。在后面章节的动力学仿真中，模型可以实现的仿真和优化是振动过程中阻尼液对减振块的线性阻尼系数。而要把阻尼液对减振块的阻尼系数转换成阻尼液的粘度系数，从而精确地选材，还需要通过不同工况下的具体实验来解决。 3 5 弹簧的选择 减振弹簧也是减 振系统的一部分，弹簧的形状和大小以及弹簧材料的弹性模量直接影响弹簧弹性系数和物理性能。 3 6 可选用材料的特性 弹簧可以选择的材料有金属橡胶、橡胶、尼龙、以及其他有机物，下面对这些材料进行比较。 金属橡胶弹簧具有一系列优点： 1可以根据需要选择金属和橡胶的结构形式，调整橡胶配方和成形工艺来控制弹性系数，以满足各项刚度和强度的要求； 2有适当的阻尼，有利于越过共振区，衰减和吸收高频振动与噪音； 3冲击刚度大于动刚度和静刚度，有利于缓和冲击； 4体积小，重量轻，免维修。 橡胶材料具有显著的高弹性，在外力 作用下，很容易发生极大的变形，但除去外力以后又恢复原来的状态，这是橡胶区别于其他材料的最主要的特性。此外，橡胶还具有极高的可挠性、耐磨性、耐腐蚀性但橡胶在 200Hz 附近振动的传递能力随 频率起伏不定。 3 7 弹簧材料的选取 虽然橡胶圈在径向的变形与负载之间具有非线性特性，但由于变形量很小，在做仿真和优化时可认为是线性变形，并用作用在减振块质心上的线性弹簧代替减振块两端的O 形支撑橡胶圈。弹簧材料的选取应根据模型仿真优化后所求得的弹簧的刚度系数来选取。 3 8 减振块的设计 减振块的材料选择是减振系统的一个关键，国 外的减振镗杆一般选择密度比较高的“重合金”作减振块。“重合金”这类材料通常为密度很高，超过 1 7 cm3 的钨基合金。粉末混合物所产生的传统的 W-Ni。 Fe 和 W-N 扣 Cu 重合金具有满足常规要求的力学性能：极限抗拉强度 650, -700MPa、冲击强度 10, 30J cm2，延伸率 6 50 o-7 5。由于新技术的发展对重合金的要求越来越苛刻，要求合金有更高的力学性能。 本文选择密度为 11 35 cm3 的铅作为减振块的材料，这是因为铅的价格较低并容易获得，若需更好的减振效果则可以选择密度更大的“重合金”。而 在动力学仿真当中可以采用参数化的设计使减振块的质量为一变量，从而使减振模型适合不同密度的减振块 15 的分析。减振块体积的选取受到内孔的限制，在设计中选用长为 120ram、半径为 10mm的圆柱体。可得减振块的质量 m， =0 426kg。本文选择密度为 11 35 cm3 的铅作为减振块的材料，这是因为铅的价格较低并容易获得，若需更好的减振效果则可以选择密度更大的“重合金”。而在动力学仿真当中可以采用参数化的设计使减振块的质量为一变量，从而使减振模型适合不同密度的减振块的分析。减振块体积的选取受到内孔的限制，在设计中选用长 为 120ram、半径为 10mm 的圆柱体。可得减振块的质量 m， =0 426kg。 3 9 刀头的设计 目前大多数产品的刀头都用轻质铝合金制成，还有许多厂家采用了优化结构的刀头，目的就是想减轻刀头的质量，提高镗杆整体的减振效果。本课题采用铝合金刀头，在样机中刀头的材料属性用铝来代替。由于在样机中刀头被看成是刚体，因此刀头的质心决定了刀头的位置，而和刀头的外部形状无关，因此可任选刀头的形状。在实际的应用中可通过修改刀头质心的位置来确定刀头的位置。 3 9. 1 减振系统数学模型的建立 对减振系统进行简化，并建立简化系 统的动力学方程也是很必要的。通过对简化后的减振系统运动方程的求解，可以对系统的运动特性作定性的理论分析，并可以求出ADAMS 下模型的初始输入参数，从而保证参数优化时优化过程的快速收敛。 3 9. 2 对切削力的分析 通常把在没有振动的条件下进行的切削过程称为静态或稳态切削过程，而把产生振动的切削过程称为动态切削过程。前者在切削过程中产生的切削力是稳定不变的，而后者的切削力则是周期性变化的。如果把镗杆整体看成一个系统，那么镗杆所受的切削力就是系统的外部输入，而系统的输出为镗杆切削刃的位移量。为了研究镗杆系统在各 种工况下的振动幅值，就必须研究振动模型在整个频域内的幅频响应特性。这里我们假设镗杆系统所受的动态切削力为 300N 的正弦力。 3 9. 3 系统的简化 减振系统的杆体是由一个连续体和一个振动单元组成的，如图 3 1 所示。根据振动力学的理论分析可以知道，这样的系统建立方程很不方便，必须进行简化。 减振镗杆的模型可以简化为如图 3-3 所示。 16 在图 3 3 中为简化模型的方便，选取了镗杆杆体内孔的中心点 (即图 3 2 中的 A 点 )作为研究振动的点，镗杆的质量将被集中在这一点，可以认为有一个质量块等效地加在这一点，等效质量块 的质量就是镗杆的当量质量，镗杆在此研究点的刚度被看作是弹簧的弹性系数 kl。空气摩擦和冷却液的阻尼影响，根据不同的情况，可以取不同的值。当镗杆的振动频率较低时，可以忽略不计；而当振动频率较高时，空气阻尼有时可以忽略，但冷却液的阻尼却不可以忽略。 这样就把减振镗杆系统简化成了具有两个自由度的有阻尼振动系统 .我们把由 m1,k1组成的系统称之为主系统，把由 m2,k2 和 c 组成的减振装置称之为减振器。 3 9. 4 系统运动方程的建立与求解 下面首先建立简化系统的运动方程： 根据运动方程，可求得主质量和辅助质量的相对 振幅为： 17 式中 A1,A2-主质量、辅助质量的振幅： 18 由上图可知，不同阻尼比的所有曲线都经过 P、 Q 两点。因此这两点的位置与阻尼无关。在设计有阻尼动力减振器时，应保证减振器在整个频率范围内，都有较好效果，为此，应使 P、 0 两点的纵坐标相等，而且成为幅频响应曲线的最高点。如图 3-5 所示。 根据以上公式，即可确定有阻尼动力减振器各个参数的值。由式 (3-7) 可以看出，增加质量比 U1，主系统的振幅 4 将减小，减振效果提高。 19 振镗杆的结构特点限制了减振块体积的上限。因此我们在设计减振块时 ，应选择密度大的材料，并在尽量使减振块体积比较大的情况下合理选择减振腔的结构。根据减振腔的结构确定减振块的形状，从而确定减振块的质量肌，。通过在 ADAMS 中对虚拟样机进行仿真并进行频域内的分析，可求出减振镗杆在研究点处的刚度 k1 与当量质量 m1。由式(3-6)求出最佳固有频率比，根据 aop 和 m2 得减振器的弹簧刚度 K2，再用式 (3 5)算出最佳阻尼比 Sop 及相应的阻尼系数 c还应注意到一点，减振器安装在镗杆杆体内，因此减振块的运动方程受到客观条件的限制，即减振块和杆体的位移差不能大于减振镗杆内腔直径与减振块直径 差的一半。 第四章 多刚体动力学模型的建立 镗杆刀刃的径向跳动量是影响加工质量的主要因素，因此必须研究镗杆在外界激励下的弹性变形。而径向跳动量的减小是通过镗杆内的减振单元与杆体的相互作用来实现的，所以对该减振系统的研究属于多柔体系统动力学范畴。针对该减振系统的特点，可选用有限元分析软件 ANSYS 和多体动力学仿真软件 ADAMS 联合建立减振系统的动力学仿真模型。 4 1 多刚体动力学模型的建立 4 1 1 模型的坐标系统 ADAMS 采用了两种直角坐标系：全局坐标系和局部坐标系，他们之间 通过关联矩阵相互转换 。全局坐标系是固定坐标系，他不随人和机构的运动而运动。它是用来确定构件的位移、速度、加速度等的参考系。局部坐标系固定在构件上，随构件一起运动。 ADAMS 自动为每一个部件选择一个基点。并自动以此基点为原点建立一个局部坐标系，构件在空间运动时，其运动的线物理量 (如线位移、线速度 )可由局部坐标系相对于总体坐标系移动、转动时的相应物理量确定。本模型的全局坐标系以镗杆杆体轴 20 心线为 z 轴，其正方向为镗杆的刀头端，镗杆杆体与机床的圆切面中心作为原点， Y 轴方向垂直向上。 x， y， z 三轴 构成右手笛卡几坐标系。局部坐标系则由 ADAMS 在每个部件上自动建立。 4 1 2 模型的建立 在建立模型前需做如下假设： 1装配间隙为零，制造误差忽略不计； 2橡胶圈和阻尼液由线性弹簧和线性阻尼代替； 3除了弹性元件 镗杆杆体外，各部件均视为刚体。 4在切削过程中影响表面加工质量的主要因素是刀刃的径向跳动量，所以在计算和仿真的时候，只考虑引起镗杆径向弯曲的正弦力。 经过合理简化后，可以直接用动力学仿真软件 ADAMS 进行多刚体动力学模型的建立。所建模型如图 4 1 所示。 这时，对模型进行检验，会弹出如图 4-2 所示的警告对话框。这是因为所建 立的多刚体动力学模型的自由度为 0，而在 ADAMS 中的刚性形体又是不可变形的，因此，整个系统是一个不可动的机械系统。这就需要引进弹性体使镗杆的杆体变“软” 4 2 多柔体动力学模型的建立 用动力学仿真软件 ADAMS 建立起来的模型为多刚体系统，要加入柔性的镗杆杆体，使系统能够在外部激励下产生振动，还必须输入杆体的模态中性文件 ( Mnf 文件 )。具体步骤如下： 1进入 ANSYS 程序，建立柔性体模型。并选择适当的单元类型来划分单元； 21 2在柔性体与刚性体的联接处建立节点，此节点在 ADAMS 中将作为外部节点 使用，如果在联接处为空洞，则需在此处创建一个节点，并使用刚性区域处理此节点 (外部节点 )与其周围的节点； 3选择外部节点，运行 ANSYS 的宏命令 ADAMS 生成 ADAMS 程序所需的模态中性文件； 4进入 ADAMS 程序，通过 ADAMS Flex 模块读入模态中性文件 ( mnf 文件 )以建立多柔性体模型； 5指定柔性体与刚性体的连结方式，如有必要，需使用无质量联接物体，按照实际情况定义载荷和边界条件 4 2. 1 模态中性文件的建立 在 ADAMS View 中使用的模态中性文件 ( mn 政件 )可以由 各种有限元分析软件来生成。目前可以生成 mn 伎件的大型有限元分析软件主要有 ABAQUS、 ANSYS、 I-DEAS和 MSC NASTRAN 等本文选用目前应用最广泛的有限元分析软件 ANSYS 来进行J 皿纹件的制作。 4 2 1 1 有限元模型的建立方法及步骤 为了生成能够恰当地描述模型几何性质的有限元模型，通常情况下需要首先建立几何模型。建立几何模型时，原则上应尽量准确地按照实际物体的几何结构来建立，但对于结构形式非常复杂，而对于要分析的问题来讲又不是很关键的局部位置，在建立几何模型时可以根 据情况对其进行简化 ，以便降低建模的难度，节约工作时间。 ANSYS 程序提供了以下 3种生成模型的方法： 1用 ANsYS 创建一个几何模型； 2利用直接生成方法： 3输入在计算机辅助设计 (CAD)系统创建的模型。 ANSYS 提供了与其他 CAD 软件和有限元分析软件的接口程序，这样，用户就可以在自己熟悉的 CAD 软件中建立几何模型，然后输入到 ANSYS 中，作适当的修改后转化成ANSYS 的几何模型。这种建模方法适合过于复杂的几何模型。本文利用 ANSYS 自身的建模功能进行镗杆杆体的几何建模。 对建立的几何模型划分网格，生成包含节点和单元 的有限元模型。有限元网格的划分过程包括 3 个步骤： 1定义单元属性。包括指定单元类型、分配实常数或者截面属性、分配材料属性等。 2设置网格控制。 3生成网格。 4 2 1 1 单元类型和材料参数 在有限元分析模型的建立过程中，首先要选择单元类型和材料参数。我们首先选择具有中间节点的耦合单元 SOLID92，该单元为 10 节点四面体单元，由于具有中间节点，特别适合于对不规则的实体 (如通过各种 CAD CAM 软件建立的实体模型 )进行建模。而杆的两端与刚性体的联接处应优先考虑使用梁单元建立的蜘蛛网状的刚性区域。这是由 于这种方法使力分布在整个受力面上，梁单元可以提供六个方向的自由度，并且可以传递瞬间载荷。这里我们选用适合于剐性区域建模的两节点 3D 弹性梁单元 BEAM4。 22 4 2 1 2 定义单元实常数 单元实常数是依赖单元类型的单元特性，并不是所有的单元类型都需要实常数，在本文中需要为单元 BEAM4 定义实常数。对于梁和壳单元类型， ANSYS 可以通过给定的截面直接计算出所需的实常数，而不需手工一一计算和指定嘲。这里我们利用 ANSYS软件直接计算得出单元 BEAM4 的实常数。计算所得结果如图 4-4 所示。 23 4 2 1 3 有限元模型的建立 在 ANSYS 中进行几何建模并对模型进行自由网格划分。在杆的两端和研究点A 处创建节点，并分别使用刚性区域连接这三个节点与其周围的节点。可得到如图 4 6的有限元模型。 图 4-6 有限元模型 Fig4-6 Finite element model 24 4 2 1 4 模态中性文件 (mnf)的输出 运行 ANSYS 的宏命令 ADAMS，选择三个外部节点，并设制单位，生成 ADAMS程序所需的模态中性文件。 由于本文在 ADAMS 中的所有单位都采用国际单位，因此在 mnf 文件的输 出过程中必须指定 ANSYS 中所使用的单位系统。具体设置如图 4-7 所示。 4 2 2 ADAMS 与 ANSYS 的接口 通过 ANSYS 软件与 ADAMS 软件之间的双向接口可以得到基于动力学仿真结果的应力应变分析结果，提高计算精度。 在一般的整合程序中， CAD 软件的功能将被用来进行实验模型的建立，并将零部件的实体模型组装成系统的实体模型。此时， ADAMS 将利用这个系统的实体模型来分析系统的机构与动力行为。 另外，在系统分析的同时， ADAMS 可以把某些零部件的边界负载条件传送出来。透过 ADAMS Flex 模块，这些零部件的边 界条件与实体模型则可用 ANSYS 这种 FEA软件来分析它们在这一瞬间的应力与变形状态。当然，对简单的机械系统而言，或许不需要经过复杂的 ADAMS 分析，而直接利用 ANSYS 做应力与应变分析。 一个机械系统中可能包含柔性体 (刚度较弱 )。柔性体对机械系统的运动有很大影响，如果在动力学仿真过程中不考虑柔性体的影响，必然会造成较大的误差；同样，机构系统中柔性构件的边界条件和载荷则决定了柔性体中的应力应变分布。因此在对柔性构件进行强度分析时必须考虑到它当前的运动状态。 ANSYS 软件与 ADAMS 软件之间的双向接口使得这一问 题得到圆满解决，利用它我们可以得到考虑了零部件弹性特性的精确的动力学分析结果及基于机构运动状态的应力应变结果。具体的操作过程可以分为以下三个步骤 ： 1在 ANSYS 软件中生成 ADAMS 软件用来生成柔性体模型的模态中性文件 ( mnf 25 文件 ) 进入 ANSYS 程序，建立柔性体模型，并选择适当的单元类型来划分单元。在柔性体的转动中心 (与刚性体的联接处 )必须有节点存在，此节点在 ADAMS 中将作为外部节点使用，如果在联接处为空洞，则需在此处创建一个节点，并使用刚性区域处理此节点 (外部节点 )与其周围的节点。选择外部节点，运 行 ANsYS 的宏命令 ADAMS 生成 ADAMS 程序所需的模态中性文件。 2在 ADAMS 软件中生成 ANSYS 软件使用的载荷文件 ( lod 文件 ) 进入 ADAMS 程序，建立机械系统的刚性部件，读入模态中性文件 ( mnf 文件 )以建立柔性体模型，指定柔性体与刚性体的连结方式，按照实际情况定义载荷和边界条件进行机械系统的运动学分析在分析完成后输出 ANSYS 软件所需的载荷文件 ( lod 文件 )。此文件包含了对应于运动过程中不同时刻点柔性体所承受的载荷和运动信息 (力、力矩、加速度和角加速度 )。 3在 ANSYS 程序中进行应 力应变分析 进入 ANSYS 程序，恢复柔性体的数据库文件，选择所有节点。如果进行静力学分析则从载荷文件 ( lod 文件 )中找到对应于某个位置 (相应时刻 )的载荷并输入 ANSYS，进行应力应变分析；如果要进行瞬态动力学分析，则可以通过 ANSYS 的 Utility MenuFileRead Input From 菜单将载荷文件读入 ANSYS 模型数据库，即可将载荷文件中各时刻的载荷作为 ANSYS 的载荷子步旋加到相应的节点上 26 第 5 章 样机的仿真与参数化分析 建立了动 力减振镗杆系统的模型后就可以在 ADAMS 中进行系统的动力学仿真，并利用 ADAMS Vibration 模块对系统进行频域内的分析。利用 ADAMS 的自动优化功能对减振系统的参数进行频域内的优化，求出系统的最优参数，从而保证系统在整个频域内都有一个好的减振效果 5 1 减振系统固有频率的求取 对有减振腔但没加减振单元的多柔体动力学模型进行频域内的分析，分 析结果如图5 吨所示。 从分析的结果可得到，系统在幅值最高点的频率为 f=106(Hz)。因此，系统的固有频率 l=2 矿 =665 68(rad s)。 5 2 减 振系统的当量质量的确定 5 3 系统参数的确定 5 4 模型在频域内的仿真结果 对没有加减振单元的实心镗杆进行频域内的仿真，再对没有加减振单元但减振内孔的镗杆模型进行频域内的仿真，最后对有减振单元的减振系统进行频域内的仿真。仿真的输入与输出通道的设置如图 5 3、图 5-4 所示。振动分析对话框的内容设置如下： 27 28 5 5 结论 从分析的结果可以求得如表 5 1 所示的不同类型的镗杆模型在整个频域内的最大响应幅值和这时所对应的频率。 29 从仿真分析所得的数据和对各种模型在整个频域内的幅值响应曲线的 对比可得到如下结论：镗杆杆体的减振内孔使镗杆的固有频率有所提高，加了减振单元的减振镗杆在整个频域内的最大振动幅值大大地减小了 5 6 参数化分析 ADAMS View 的参数化分析功能可以分析设计参数变化对样机性能的影响。在参数化分析过程中， ADAMSWicw 采用不同的参数设计值，自动地运行一系列的仿真分析，然后返回分析结果。通过对参数化分析结果的分析，可以研究一个或多个参数变化对样机性能的影响，获得最危险的操作工况以及最优化的样机。 类似于实际物理样机的设计、试验和优化过程， ADAMS 提供了 3 种参数化分析方法： Design study：设计研究，考虑一个设计参数的变化对样机性能的影响。 Design of Experiment(DOE)：试验设计，可以考虑多个设计参数同时变化，对虚拟样机性能的影响。 Optimization：优化分析，在给定的设计参数的变化范围内，可以获得目标对象达到最优值时的参数组合 5 7 设计参数变量化 不论是迸行设计研究和试验设计，还是进行优化设计，都必须将设计参数定义成变量。在分析过程中，只需通过改变设计变量就可以自动地更新虚拟样机模型，然后进行参数化分析。因此在进行参数化仿真分 析时，首先确定虚拟样机性能的关键参数，然后将其参数化矧 对于本课题来说，最重要的设计参数是模型中的弹簧刚度系数和阻尼系数。因此将这两个参数进行参数化设置如表 5 2 所示。 5 8 定义目标函数 使用目标函数作为分析目标有以下特点： 1当需要将对模型输出量进行复杂或多步的复合计算时，目标函数是非常有用的。 30 2当测量显得繁琐而不容易实现时，需要使用目标函数对象。 3不同于使用测量的方法是，目标函数可以存储间隔值。 根据振动仿真的特点，我们选用变量和宏的方式来定义目标函数。如图 5 一 10 所示，定义了分 析的目标 OBJECTIVE-l。目标 OBJECTIVE-1 描述了振 动过程中刀刃的径向跳动量在整个频域内的最大值。 31 5 9 分析弹簧刚度系数对刀刃跳动量的影响 1设计研究的设置 选择模型： Model Name： modeI 优化目标： OBJEClIvE l，即输出频域内刀刃跳动量的最大值 设计参数值： Design Variables： stiffness(弹簧的刚度系数 ) 取值范围： Range=1 0E+004 1 0E+006 Default Levels=5 2设计研究报告 (Design Study Sununm3,) Model Name： model Objectives 011 0BJECT E 1 UIlits ： meter Maximum Value： 0 0122882(trial 5) Minimum Value： 0 00472266(triaI 2) Design Variables V11 stiffness Units ： newton meter 32 4设计研究报告整理图如图 5 12 所示 5结论：当变量 damping=70 18、变量 stiffness 在范围 1 0E+004 1.0E+006内时，