JXYXY01-020@深孔加工动力减振镗杆的有限元分析
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机械毕业设计全套
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JXYXY01-020@深孔加工动力减振镗杆的有限元分析,机械毕业设计全套
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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 nts 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 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 nts 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 nts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 ntsDynamic 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 nts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。 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。 nts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。 nts 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。 nts 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 第 2 章 有限元分析软件 ANSYS nts2 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。 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。 nts3 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nts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 nts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。 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 nts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： 式中 A1,A2-主质量、辅助质量的振幅： nts 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 。 nts 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 nts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； 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； nts4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。 nts 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
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