基于ANSYS二次橡胶减振器的模态分析

6 4 韩 勇等 基于 A N S Y S二次橡胶减振器的模态分析 第 3 期 本系统的最大振幅来看 如果橡胶减振器的单层布置 倾角若要 为在 2 2 左右 则与中间模拟盒的表面在振动过程中有接触 再 者如果改变橡胶的外部倾角 则内部和整体结构的设计就要相应 的改变很多 使得系统达到三项等刚度 实现的过程则非常的繁 琐甚至难以实现 图 1减振系统 图2三项等刚度橡胶的单层布置角度 因此可以采用两层橡胶的结构 把具有两层橡胶结构的减振 器称为二次减振橡胶减振器 并与单层橡胶的结构在A N S Y S下进 行模态分析和相应参数的对比 在建模和分析的过程中能更加完 美的解决和实现系统所要求的三项等刚度的问题 2模态分析理论 在结构动力学分析中 模态分析理论是基础 它主要用于计 算模型固有模态的 2 个基本参数 固有频率和固有振型 它们表明了系统自由振动的特性 对于给定的系统 系统振 型向量的比值与固有频率都取决于系统物理参数 是系统固有 的 如果知道了结构的固有频率 便可以在设计与改进时使结构 的固有频率避开其在使用过程中的外部激振频率 另外 通过对 模态振型的分析 还可以了解主梁整体弯曲刚度和扭转刚度的分 芾情况 不论何种阻尼情况 机械结构上各点对外力的响应都可以表 示成由固有频率 阻尼比和固有的模态振型 基于线性叠加原理 一 个复杂的振动系统可以分解为许多模态的叠加 这些模态参数 可以由计算或试验分析取得 这样一个分解过程称为模态分析 如果这个分解过程是由有限元计算方法取得的则称为计算模态 分析 如果通过试验采集系统输入与输出信号 经过参数识别而 获得模态参数 称为试验模态分析 如果搞清楚了结构体在某一 感兴趣的频率范围内各阶主要模态的特性 就可能预测它在此频 段内受外部或内部各种振动作用而产生的实际振动响应 一个实 体模型 通常可看作是一个由质点 刚体 弹性体及阻尼器构成的 自由度为无限多的系统 模态分析的核心内容是确定描述结构系 统动态特性的模态参数 根据 A l e mb e r t D原理 引入相应的惯性力 可将弹性体的动 力学问题简化为相应的静力问题 其动力有限元的基本方程为 MX C K t 1 式中 肘一质量矩阵 C 一阻尼矩阵 K 刚度矩阵 位移向量 t 一作用力向量 z 一时间 当 0时 忽略阻尼的影响 方程变为 MX K 0 2 自由振动时 结构上各点做简谐振动 各节点位移为 X 6 e 3 则用下式表示 K t o 2 Mc b O 4 求出特征值 和特征向量 西 就可以求出系统各阶的固有 频率 固有振型等 3 有限元模型的建立 3 1 三维立体模型的建立 此减振系统是要求中心的立方体盒子质心在立方体的几何 中心上 为铝件结构 四个减振器 如图 1 所示 这个振动模型是 铝件和减振橡胶的组合件 模型的建立是居于 P R O E二 三 维造型 软件基础 对中间的立方体进行 r质心的分析 并在相应的平面 进行了减材 使得这个模拟立方体的几何中心和 自重与所要求的 条件基本一致 然后依次在 P R 0 中建立减振器中的各个零部 件的三维立体模型图 完成单个减振器的装配 并最终完成整个 系统的装配 3 2单元类型及网格的划分 A N S Y S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 A N S Y S 软件中不仅可以建立实体模型 而且它与 C A D软件也是无缝连接的 如 P r o E U G S o l i d Wo r k s A u t o C A D等等 由于C A D软件是专门建立三维实体的软件 所 以所采用的是在 P r o E中建立好三维图形并保存成I G E S格式的 基础上 然后在A N S Y S软件中运用 i mp o r t 命令导入到其中 系统中中间的模拟盒和橡胶减振器中的铝件结构部分选用 的单元类型为三维实体单元 S O L I D 1 8 5 单元元素由8 个节点组 合而成 每个节点具有 z位移方向及 王 z旋转方向的6 个自由度 而橡胶体选用单元类型S H E L L 6 3 此单元既具有弯曲 能力又具有模力 可以承受平面内荷载和法向荷载 单元每个节 点具有 6个自由度 沿节点坐标系 x Y Z方向的平动和沿节点 坐标系 Y Z轴的转动 应力刚化和大变形能力已经考虑在其 中 在大变形分析 有限转动 中可以采用不变的切向刚度矩阵 使用上述两单元能较为真实地反映本系统的实际承载状况 模拟 盒和橡胶减振器 中的连接结构的材质为金属铝 其密度为 2 7 0 0 k g m 弹性模量为 l e l 0 P a 泊松比取 0 3 3 橡胶部分通过试 验 所采用的数据为 密度 1 8 0 0 k g m 弹性模量为 1 4 e 6 P a 泊松 比取 0 4 8 整体的质量重约为 7 5 k g 在进行三维实体产品的网格划分时 六面体的分析结果比四 面体好 采用六面体离散的单元数远远小于四面体单元离散的单 元数 六面体单元具有易于辨认的优点 在结构比较简单的场合 应用广泛 但对于复杂结构其难度比较大 因为在采用六面体进 No 3 Ma r 2 0 1 0 机械 设 计与 制造 6 5 行网格划分时 要求过渡扭曲的面要少 并将曲率过大处处理为 过渡网格 生成的单元总数少 从而导致分析精度下降 在此情况 下 常采用四面体单元进行网格模型划分 结合本系统的特点 分 析过程采用的是用六面体单元对此减振系统进行网格划分 4 模态计算及分析 在 A N S Y S软件中进行模态分析主要用于确定结构的振动特 性 比如固有频率和各阶的振型 固有频率和各阶的振型是结构 承受动力荷载设计中的重要参数 也是其他各类型动力学分析的基 础 A N S Y S 求解模态分析的方法有子空间法 分块 L a n c z o s 法 缩 减法 非对称法 阻尼法 Q R阻尼法 P o w e r D y n a mi c s 法等 在很多 场合 模态分析都起到举足轻重的作用 例如结构都必须避免共振 进行模态分析之后 可以了解结构的固有频率和振动形似 并对此 采取必要的措施 从而避免在使用中由于共振的因素造成不必要 的损失 在 A N S Y S 软件中进行模态分析的过程 如图 3 所示 图 3模态分析过程 4 1 单层橡胶结构减振器的A N S Y S下模态分析过程 在典型有限元模态分析中唯一有效的 载荷 是零位移约束 其他载荷可以在模态分析中指定 但在模态提取时将被忽略 因而 只给有限元模型施加约束边界条件 边界条件决定各阶模态的形 状 初始条件在自由振动时决定各阶模态参与振动的程度 在这里 边界条件以固定约束的 形式给出 因此分别全约束四个减振器的 最外层表面 模态分析施加约束的效果图 如图4所示 单个单层 橡胶减振器二维模拟图 如图5所示 模拟结果 如表 1 所示 图 4单层橡胶减振器系统网格划分效果图 4 1 1买验 测试 1 测试条件 l g 正弦扫频 5 l O 0 H z 双程 3 m i n 3 5 s x 2 2 测试设备 X X型号的振动台 3 实验结果 如表2 所示 4 2在 AN S YS软件下的模态分析过程和结果 双层橡胶结构减振器的分析过程与单层橡胶减振器过程相 同 两层橡胶减振器模态分析约束效果图 如图6 所示 结果如表 3所示 图5单层橡胶减振器二维示意图 表 1单层橡胶减振器模态分析结果 阶数 1 2 3 4 5 6 频率 I z 2 7 4 2 9 2 3 1 8 3 5 2 3 1 4 2 5 8 振型描述 y轴扭转 向压缩 z向压缩 Z轴扭转 轴扭转 Y向压缩 图 6两层橡胶减振器二维示意图 表 3二次橡胶减振器模态分析结果 阶数 1 2 3 4 5 6 频 mz 2 8 6 3 0 2 3 2 1 3 6 1 3 2 5 3 O 8 振型描述 Y 轴扭转 向压缩 Z向压缩 Z 轴扭转 轴扭转 y向压缩 5结论 1 通过单层橡胶减振器的建模及模态分析所得出的结果和 试验测试所得到的结果绝对差值小于 1 5 H Z 而且偏差方向具有 一 致性 所以很好的验证了建模过程和在 A N S Y S 软件中进行模 态分析过程上和实际模型具有正确和很好的一致 2 从二次橡胶减振器和单层橡胶减振器的模态分析结果来 看 在沿 l z轴的振动方向的振动频率相差在 3 H Z以内 符 合三项等刚度的要求 为减振器在三项等刚度方面的设计研究提 供了一个很好的研究方向 3 二次橡胶减振器中两层橡胶之间的间隙和橡胶层之间的 厚度对三相振动频率的影响值得我们进一步的研究和探讨 参考文献 1 成耀东 机械振动学 杭州 浙江大学出版社 1 9 8 8