震动压路机震动与模态分析毕业设计

xxxx毕业设计(论文) xxxxxxxxx毕业设计（论文）任务书（xxxx届）题 目 震动压路机震动与模态分析 指导教师 xx 院 别 工学院 专 业 XXXXXXXXXXXXXXX 班 级 xxxxxxx 学 号 xxxxxxxxxxx 姓 名 xxx 20xx年xx月xx日至20xx年xx月xx日共x周摘要模态是结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。这些模态参数可以由计算或试验分析取得，这样一个计算或试验分析过程称为模态分析。这个分析过程如果是由有限元计算的方法取得的，则称为计算模态分析；如果通过试验将采集的系统输入与输出信号经过参数识别获得模态参数，称为试验模态分析。通常，模态分析都是指试验模态分析。振动模态是弹性结构的固有的、整体的特性。如果通过模态分析方法搞清楚了结构物在某一易受影响的频率范围内各阶主要模态的特性，就可能预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下实际振动响应。因此，模态分析是结构动态设计及设备的故障诊断的重要方法。 近十多年来，由于计算机技术、FFT分析仪、高速数据采集系统以及振动传感器、激励器等技术的发展，试验模态分析得到了很快的发展，受到了机械、电力、建筑、水利、航空、航天等许多产业部门的高度重视。已有多种档次、各种原理的模态分析硬件与软件问世。关键词 ：模态分析；Pro/E；震动分析AbstractAs products become ever more diversified, their life cycles are becoming shorter. To reduce production costs, save the energy, increased production efficiency and mold process are prioities. Plastic injection mold process, which holds an important position, plastic products are widely us-ed in various fields in peoples life, due to their high specific properties such as low density, che-mical stabilities, materials rich and low cost.This design based on Pro/E,MoldFlow,changes the traditional procedure and enhancing mo-ld design efficiency greatly.In the graduation project,a injection plastic mould design of storage box cover was designed based on Pro/E. The design includes the following aspects:The frame of the mould were chosed according to the relevant standards Pro/E, which based on PTC.EMX.Storage box cover can be designed based on Pro/E,to meet the demand of the society, which shorten time and increased efficiency of the design.Keywords Injection mold Pro/E ；flow AnalysisIIIxxxx毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 绪论11.1国内外压路机的技术现状与发展趋势11.1.1国外压路机的技术现状与发展趋势11.1.1.1 国外压路机的技术现状11.1.1.2.国际压路机产品的发展趋势31.1.2国内压路机的技术现状及与国际压路机的差距31.1.2.1 国内压路机的技术现状31.1.2.2 国内压实机械与国际的差距及今后产业结构的调整41. 2研究问题的提出、内容51.2.1研究问题的提出:51.2.1.1.国内外压路机动力学模型及仿真研究简况51.2.1.2.研究问题的提出72压路机振动机构振动块的设计与计算82.1振动压路机的工作原理82.1.1振动压实理论82.1.2振动压路机的压实机理92.2.1 圆周振动92.2.2 扭转振动92.2.3 智能振动102.2.4 复式振动102.3 振动压路机偏心块的设计计算102.3.1 设计过程112.3.2按初定尺寸校核激振力152.3.3利用PRO/E求偏心矩173基于ANSYS WORKBENCH的小型振动压路机偏心块模态分析193.1 模态分析的基本原理193.2.2用ANSYS Workbench进行分析213.2.2.1 建立固定块的有限元模型213.2.2.3 求解振动机构的固有频率233.3 结论264. 1研究振动压路机数学模型的意义274.2 两自由度系统振动压路机的运动方程274.3 一些重要参数的选择304.3.1 减震器总刚度的确定方法：304.3.2减振器阻尼的确定315对小型“振动压路机-土壤”二级系统的计算机仿真分析315.1仿真的意义和方法325.1.1仿真的意义325.1.2程序设计框图335.1.3振动压路机的动态效应335.2振动部分仿真分析34491 绪论1.1国内外压路机的技术现状与发展趋势1.1.1国外压路机的技术现状与发展趋势1.1.1.1 国外压路机的技术现状总体而言，国外压实机械制造业比较发达，压路机产品具有技术先进，性能可靠，外形优美等特点。主要生产国家有德国、美国、瑞典、日本等。其中BOMAG, DYNAPAC, INGERSOLL-RAND, CATERPILLAR四家公司的产销量就占了国际市场的60%以上。从国家而言，美国是压路机的生产大国，也是世界上最大的压路机市场，几乎占了西方大中型压路机市场的50%。目前，国外全液压传动、全液压驱动振动压路机成为主流1，铰接转向、蟹行机构、三级制动、无级调幅、调频、气力悬挂减振、故障自动报警与调控、静液压传动与控制、压实度随机检测、轮胎自动调压与集中充气、振动压实动态特征仿真与分析等技术充分运用到压路机之中。 除了上述特点之外，国外压实技术在多频复合振动或混沌振动，超声波技术促使土壤“液化”的原理以及新的传动技术上也有新的发展。 下面就国外几家著名的压路机厂家的产品技术特点进行分析。(1) 德国Bomag2公司的压路机行走机构和振动机构均采用静液压传动，系统工作压力很高，最高达40MPao Bomag所有压路机都采用全轮驱动。振动压路机安装了抗打滑控制装置，把最大可用扭矩传到地面，将实际施工爬坡能力提高到55%57%。其设计有独到之处，驾驶室的操纵舒适性也是其特点之一。压路机中的故障自动诊断系统在工作过程中对机器各重要部件进行不间断监控，该系统利用声光报警装置提示操作人员，并在系统模件上显示故障部位，从而避免机器损坏。其研制的Variomati。系统，可通过检测出被压材料的任何变化，快速自动地调节振动轮的振幅来补偿和优化压实力，大大提高了机器的工作性能和压实材料的均匀度。另外该公司研制的红外线遥控技术，可用于危险地带的作业。(2) 美国Caterpillar公司所生产的压路机均使用其公司内部研制的发动机，操纵台均可实现液压翻转。单钢轮振动压路机变幅特点在于正反转时通过钢球实现。CS, CP系列土壤振动压路机，采用钢球变换偏心矩来改变振幅的独特激振机构。该设计可减少改变振幅时产生的冲击，单钢轮振动压路机的最大特点是行走驱动独家使用了双泵双马达系统有效地避免了偶然出现的打滑现象。CB系列沥青振动压路机，具有一个频率，三个振幅，操纵台能向前翻转，仪表箱与驾驶座椅连成一体，可转动1800。液压系统采用闭式回路，振动泵、驱动泵与发动机直接串联。操纵台上配有密实度显示屏，可自动显示压实程度。(3) 美国Ingersoll-Rand公司的压路机的振动可在0 30Hz之间实现无级调频调幅。双钢轮系列压路机振幅可调，液压系统为闭式回路，采用低速方案，驱动马达直接驱动桥，振动马达直接驱动振动轮内的偏心轴，减少了减速箱易出现的故障。采用大扭矩平衡静液压驱动系统，并且无旋转轴，爬坡能力强，部分机型理论爬坡能力达65o。产品结构紧凑、外观质量和可靠性高。(4) 瑞典Dynapac公司生产的双频率CC232型双钢轮振动压路机是8t-13t的沥青振动压路机系列新产品，主要用于压实含石量高、厚度40mm的薄层路面而设计的。Dynapac国际高密实度压实中心开发出的CC232型压路机被认为是唯一的振动频率最大能达到70Hz的双频率振动压路机。(5) 德国Hamm公司的压路机产品有自行式单滚筒振荡压路机、双滚筒串联式振荡压路机以及一个滚筒振荡、另一个滚筒振动的串联式压路机，并推出了具有三轴起振机构的振荡压路机。Hamm公司的振荡压实设备，使滚筒呈水平方向前后振动，与地面保持经常的接触，而不象在垂直振动技术下的滚筒那样上下跳动。在一些传统的难压实材料上，如含石量高的薄层沥青路面，振动滚筒重复的冲击力将会重新松散被压实材料的骨料。该公司在操作中还使用了两种不同的频率和两种振幅，并通过安装在驾驶室里被称作“ecomatic”的独特监测系统提供变频与数字频率显示。另外，Hamm公司还发明了通过微处理器控制系统自动调校振动频率和振幅及行驶速度的智能压实系统(IQZ)和垂直压实的振荡摇摆综合系统(VOC)。(6) 日本酒井重工研制的SD450型振动压路机，其振动机构为两根平行轴的偏心块对称配置，两轴作反向同步旋转，激振力在水平方向的合力为零，产生了理论上纯粹的垂直振动。其工作质量为10t、振动频率43.3Hz、振幅1.4mm，它可以压实600mm以上的回填土层。N3型振荡压路机采用锥齿轮驱动两根与滚轮轴线相垂直的偏心轴，实现了沿滚轮切线方向的交变扭振。1.1.1.2.国际压路机产品的发展趋势(1)重视新型振动压路机的开发3，振荡压路机、垂直振动压路机、混沌振动压路机、冲击式压路机陆续出现。(2)多功能、系列化、特种用途的压实机械增加。在同一种压路机上可装置光轮、凸轮、橡胶轮及推土铲等。还有在压路机液压系统中设置接口和快速接头，用于连接筑路用的一些小型设备。特种用途的压路机如:压实管道和电缆埋设沟槽的沟槽压路机，压实堤坝和路基坡面的斜坡压路机，以及用于海港、灯塔与桥墩建设的水下压实机等。(3)压实机械新技术的采用:压实过程的计算机仿真、碾压作业连续控制技术、压实工程辅助管理(根据实际工况和压实要求为用户提供压实方案参考)、振动自动变幅系统、自动滑转系统(提高爬坡能力)、工业设计技术的应用(漂亮的外形设计，舒适的操作环境)。(4)“四化”的实现:结构模块化、一机多用化、机电一体化、行驶安全化。1.1.2国内压路机的技术现状及与国际压路机的差距1.1.2.1 国内压路机的技术现状从1940年仿制第一台以蒸汽为动力的自行式压路机至今，我国压路机行业从技术引进、仿制到自行开发4已经历60多年的岁月。目前已拥有以徐工、洛建、三明重机、三一重工等为主的70多家压路机制造企业和多家科研机构，形成了一个能够自主开发与设计制造的完整体系。 下面介绍国内几家知名压路机企业及其代表产品的技术特点。(1)徐州工程机械厂1984年引进瑞典Dynapac公司CA25, CC21压路机制造技术，经过多年消化、吸收、改造，目前拥有静碾、轮胎、振动三大系列，30多个品种规格，50多个型号的压路机。是国产压路机品种规格最多、最全的企业。近几年国内市场占有率一直保持在50%以上。 2000年6月开发出沙漠地区专用的YZ18S沙漠型振动压路机，全液压全轮驱动无级变速行走系统;双频率、双振幅振动机构;操纵系统采用全液压传动和全电液控制技术，使得操纵异常简便。减振效果达78%以上的三级减振系统，能充分保证驾驶的舒适性。 2001年初开发的XS190H高原型振动压路机是专门为适应青藏高原地区工程施工而开发的。其液压系统采用萨奥90系列变量泵双变量马达组成的闭式抗打滑液压驱动系统，理论爬坡能力可达55 %采用双频、双幅振动系统。通过仪表盘上的故障报警装置，可随时提供保养和维修信息，避免设备带病作业，预防设备损坏，缩短停机时间。可选配进口机载密实度检测系统，能够实现密实度的在线检测。(2)洛阳建筑机械厂1986年引进德国BOMAG公司制造技术，经多年化、吸收，目前拥有静碾、轮胎、振动三大系列30多个型号的压路机。该厂是我国最早生产压路机的企业之一，近几年行业排第二位，国内市场占有率一直保持在20%左右。 洛建在第六届北京国际工程机械展览与技术交流会上展出的LSD200H型单钢轮振动压路机，自重20t，它采用抗滑控制(ASC)技术，理论爬坡可达50%，能在海拔4000m以上的地区工作。 洛建自1995年开发YZC12型双钢轮振动压路机以来，一直占有国内双钢轮压路机的绝大部分市场，为其带来了巨大的经济效益。(3)三明重工，1996年并入厦工集团，通过优势互补，加上近几年开发了多种技术含量较高的压路机产品，得到了较快的发展，在全行业排行第三。其产品品种、规格多达20多种，有自行式单钢轮，自行式双钢轮，冲击式压路机等。(4)三一重工，以三一为代表的民营和私营企业，以其灵活的机制，低廉的成本，近几年得到了迅速的发展壮大，并占有了一定的市场份额，而且势头强劲。为青藏铁路建设精心打造的YZ20G全液压振动压路机，以其优异的性能价格比力挫国内外竟争对手，一举中标。三一重工压路机配套的如柴油机、液压泵、液压马达、后桥、轴承、减振器等主要组件均为国外一流厂商的产品。大开放系统设计，便于打开发动机、液压系统罩壳，方便更换和维修，液压系统检测更方便。免维修的中心铰接装置。行驶、停车、紧急三级制动系统。具有倾覆保护装置和启动闭锁装置。双频、双幅振动系统，振幅、频率的最优匹配，保证最理想的压实效果。1.1.2.2 国内压实机械与国际的差距及今后产业结构的调整(1)差距 近几十年来，国内各厂家在引进的基础上，经过不懈的努力，加上国外各知名品牌在中国的独资、合资建厂的技术投入。我国压路机制造业相对于其它工程机械行业而言已经拥有了世界上较先进的制造技术5，但是国内生产厂家与国外先进技术之间仍然存在很大的差距，主要表现在以下几个方面。 1)在技术含量上，国内产品技术含量低，中低档产品重复开发严重。大吨位全液压压路机的技术含量有待进一步提高6。必须在调频调幅机构、激励机制、传动系统、操作舒适性、密实度检测及故障检测等方面进一步加强。提高压实机械自主开发能力，不断提升自己专有技术的比例，加强对新压实方法、新型压实机构、自动检测、自动控制和智能化技术等的研究，增强新技术储备。2)在可靠性上，国产压路机的工作可靠性和早期故障率都比进口设备明显偏高，有待于进一步提高。 (2)产业结构的调整 目前，中国工程机械市场竞争日趋激烈，部分企业被逼无奈，不惜以牺牲利润为代价来抢占市场份额。这种作法无异于杀鸡取卵，对企业长远发展非常不利。企业的根本使命在于创造利润，在合理的限度下，利润越高对企业的发展越有利，对社会的回报也越高。降价竞争是企业的一种自杀行为，其结果只能是同归于尽。因为企业没有利润便没有发展后劲，没有发展在市场经济中就意味着死亡。预测今后凡年如下几种压路机品种有增长潜力:(1) 12t以上双钢轮振动压路机以其优于单钢轮的压实效果，压实效率，具有较大的发展空间，而4t以下小型串联式双钢轮振动压路机作为养护机械使用，市场前景也很乐观。(2) 大吨位轮胎压路机以其压实路面的特殊优越性，在高等级公路施工中有着不可替代的作用，将会有较大增长。轮胎压路机是一种静作用压路机，它依靠自重，依靠轮胎的压力将材料压实。轮胎在碾压过程中有了弹性变形，因而对被压实材料有揉搓作用，它可使沥青密封，减少下雨时间向下渗水。(3) 全液压双驱动单钢轮振动压路机，特别是18t级以上机型，随着市场的购买力及高等级道路压实要求的提高，将具有很大的市场潜力。1. 2研究问题的提出、内容1.2.1研究问题的提出:1.2.1.1.国内外压路机动力学模型及仿真研究简况振动压路机在工作时偏心块高速旋转产生离心力，振动轮在这个离心力的作用下产生了强迫振动，振动轮下面的土也随着振动。因此，为了研究振动压路机作业时被压实的基础、振动轮、机架的动态响应，必须把振动压路机连同被压实的土视为一个振动系统，并进行必要的简化。国内外的许多专家和学者对振动压路机的研究做了大量的工作。为振动压路机的设计一和生产提供了许多宝贵的意见和建议。如T. S. Yoo和E. T. Selig 71977年提出的二自由度、线性、集中参数、弹簧阻尼系统所描述的“土壤一压路机”系统动力学模型，可称之为经典动力学模型。对振动压路机动力学参数的选择和参数对振动压路机性能的影响以及如何评价振动压路机性能进行了理论和实践的有益探索。70年代末，法国学者Machet. J. M对振动压实系统进行了动力学理论分析，认为在振动压实过程中，有振动轮与地面的接地工况;也有振动轮跳离地面的工况。并且得出了以下结论:1.振动压实系统可近似用一个离藕的两自由度动力学模型来描述:系统的第一阶振型主要反映了机架与减振器的特性，对减振效果影响较大；系统的第二阶振型主要反映了振动轮与土体的特性，并随着土体性质及密实度的不同而变化。这阶振型对压实效果影响较大。2.频率变化的影响是有限的，振动力与离心力之间不存在直接关系。超过了一定振动强度后，振动轮就开始跳离地面(离藕)。国内学者对振动压路机振动系统的研究是从80年代初期开始的。他们也主要采用两自由度数学模型对振动压路机的各种特性进行研究。虽然单轮振动压路机有6个以上自由度，但是若是采用6个自由度系统的数学模型，分析“压路机一土壤”的振动系统，看起来精度很高，但是由于土的随机性和数学处理及简化的局限性，使理论上精度较高的多自由度数学模型失去其精度意义，反而使计算工作变得十分复杂。而且两个自由度的数学模型基本上可真实地反映“压路机一土壤”系统的实际动态响应，而且在数学处理上也比较简单易行。 按照传统的设计方法，机械产品的工作性能的测试首先必须建立被测系统的物理样机，然后在各种载荷条件下对样机进行测试。如果在测试期间，样机出现故障，测试过程又要重新进行，这种方法不仅费时费钱，而且物理样机的试验在特殊行业有时是非常危险或不允许的。随着计算机技术的发展和广泛应用，计算机及其外部设备所构成的计算机系统能通过计算机并复现各种复杂系统的运动状态。而且仿真技术领域也为仿真研制了大量可供工程人员使用的仿真软件。本课题所采用MATLAB(MATrix LABoratory)是集数学计算、结果可视化和编程于一身，能够方便的进行科学计算、大量工程运算、动态系统仿真及优化设计的交互式系统。利用这套软件可以大大减轻计算工作量，利用其可视化的动态仿真结果就可以在昂贵的物理样机建造前分析出系统的工作性能，并能方便的改进设计和优化设计，节约大量的时间和费用。近年来仿真技术及优化设计的应用己经获得重大进展。世界著名的制造公司在生产开发过程中广泛的应用仿真技术和优化设计。1.2.1.2.研究问题的提出纵观历史，中国的工程机械行业起步较晚，设计技术的总体水平还处于经验设计时期，近二十年的压路机技术的发展，大部分是通过技术引进实现的。有限元分析、机电液一体化、动态设计、仿真等现代设计技术还处于应用入门或水平较低的普及阶段。本课题结合现在的新理论、新技术利用PRO/E及ANSYS 对小型压路机振动机构进行设计分析，并建立动力学模型，进行动力学分析，利用MATLAB工程计算软件对小型压路机振动过程进行仿真分析，这必将对提高小型压路机的技术性能，为用户提供使用参考有很大的意义。1.2.2课题主要内容:(1) 利用PRO/E对小型振动压路机振动机构进行参数化设计。(2) 利用ANSYS WORKBENCH对小型振动压路机振动机构进行模态分析。(3) 对小型振动压路机建立动力学模型，进行动力学分析。 (4) 用MATLAB工程计算软件对小型动压路机进行计算机仿真分析。 2压路机振动机构振动块的设计与计算2.1振动压路机的工作原理振动压路机是依靠自重和振动的联合作用来压实路基和路面材料，使被压实的材料具有足够的密实度。压实可以充分发挥路基和路面材料的强度，可以减少路基、路面在行车荷载下产生的变形，还可以增加路基和路面材料的不透水性和强度稳定性。现在全世界的建筑工程都要求对土壤进行有效地压实，以便承受新建的高速公路、机场、海港、堤坝、铁路和建筑基础的更大的负荷。由于振动压路机压实效果好，影响深度大，生产率高，而且适用于各种土壤的压实，因此，振动压路机逐渐成为许多压实工作的标准设备和首选设备。2.1.1振动压实理论振动技术已被广泛应用于压实作业，其基础理论研究尚有不同的学派。对土壤振动压实从理论上来阐述，可以归纳为以下的几种学说8。1内部摩擦减小学说内部摩擦减小学说可概括为:由于振动作用，使铺筑材料的内部摩擦急剧减少，剪切强度降低，抗压阻力变得很小，因而在重力作用下易于压实。2共振学说振动压路机在工作时，当激振力频率与被压实材料的固有频率一致时，振动压实最为有效。实践证明，共振效果是显着的，说明了这一理论的正确性。然而，由于材料的固有频率是变化的，要求激振器的频率作相应的变化是困难的，但;利用共振现象来进行压实是比较容易的。3反复载荷学说振动压路机在工作时，由于振动所产生的周期性压缩运动的作用，而达到振动压实的效果。在低频率范围内，它具有一定的现实性，而在高频率范围内，并无充足的理论根据。实验表明，在高频率范围内，振动作用的效果远远超过反复荷载作用的效果。4土壤液化学说在振动波的作用下，被压实材料的颗粒呈现高频受迫振动状态，其内部粘聚力和摩擦力急剧下降，使之仿佛处于流动状态，此即称之为“液化”现象。这种液化现象的出现，使材料颗粒之间的相互充填作用加强，并且由于受自重力的作用而向着低位能的方向流动，这就为压实创造了条件。2.1.2振动压路机的压实机理振动压路机的工作轮结构如图2-1所示:压实机理9是振动压路机利用离心力使轮子产生振动，轮子内的偏心轴高速旋转，从而产生强大的离心力F = Me*w*w，在这个离心力的作用下，轮子被迫产生圆周振动，振动轮在与地面接触时，给予地面很大的反复冲击，从而使土壤产生振动，得到密实。2.2 压路机的振动机构 图2-1振动轮结构示意图振动机构是振动压路机的主要工作机构,它对振动压路机的工作性能、压实质量有很大影响。振动压路机常见的振动机构有圆周振动机构、扭转振动机构等,最近几年振动机构有了新的发展,现在分述如下：2.2.1 圆周振动10一般中型和大型振动压路机的振动机构多采用圆周振动。在一个振动轮内有一个振动轴,轴上装有偏心块,振动轴带着偏心块旋转,产生离心力,从而产生振动，由于离心力(也称激振力)绕圆周旋转,所以称作圆周振动。振动轴每秒钟的转动次数即为振动频率。这种机构结构简单、工作可靠、压实深度大、压实效果好,所以得到广泛应用。2.2.2 扭转振动在一个振动轮内有两个振动轴,这是德国Hamm公司首先发明的。两个振动轴转速、转向相同,但两个轴上的振动块的位置则相差180,产生的离心力形成一对力矩,从而形成扭转振动。这就是通常所说的振荡压路机的振荡机构。振荡压路机产生的扭转振动不会产生冲击,在靠近建筑物进行压实工作时,对周围环境影响较小,也比较适合在桥梁上进行路面压实作业。但压实深度较小,。 2.2.3 智能振动这是德国Bomag公司首创的振动机构。它采用双轮振动,后轮与普通振动压路机的振动轮相同,采用圆周振动;前轮则用智能振动,它由电子技术控制,可以产生垂直振动、斜向振动或扭转(水平)振动。由于它可以根据压实材料刚度的不同自动调整振动方式,从而用较少的压实时间得到较好的压实效果,因此称为智能振动。它对沥青玛蹄脂碎石混凝土(SMA)压实效果很好。2.2.4 复式振动这是日本酒井公司首创的振动方式,用于SW750HN (自重10t)等双钢轮振动压路机。所谓复式振动是其中一个振动轮既有水平方向的振动(扭转振动),也有沿振动轮轴向的往复振动,其振动是一种复合形式。复式振动压路机对多孔性沥青混凝土的压实效果较好。2.3 振动压路机偏心块的设计计算振动压路机的振动系统11由激振器，振动钢轮，减振器，驱动板（单轮驱动则无驱动板）及振动机架等部分组成。 激振器一般均是由偏心轴高速旋转产生的离心力而使振动轮产生振动，偏心轴有几种形式，有的是一根长的偏心轴，有的是在轴上两端各焊一块偏心块，他们均只能产生一种振幅；还有的是在轴两端分别焊4块固定偏心块，再在每两块中间安装一块可以绕轴旋转的活动偏心块， 固定和活动偏心块有半圆形和扇形2种，这种激振器可以产生高低2种振幅。 还有将偏心块做成盒状，利用盒内小钢球的流动达到调幅的目的。在压路机总体设计时需要利用偏心矩来计算振幅和激振力，偏心块的计算就包括质量和偏心距的计算。本压路机为双振幅，采用半圆形偏心块，偏心块结构由固定偏心块和活动偏块组成，外形如图2-2： 图2-2半圆偏心块2.3.1 设计过程一般半圆偏心块的外形如图2-2，其面积和偏心矩的计算公式如下：面积： 偏心矩： 式中： c1-偏心块大圆弧弦长； c2-偏心块小圆弧弦长； -大圆弧半中心角； -小圆弧半中心角；面积和偏心距公式中正负号分别为：上面的正负号对应于图2中的(a)图，下面的正负对应于图2中的(b)图。当(b)为零时，半圆偏心块就成为如图2中的（c）图，其面积比较简单，即大半圆面积加上小半面积再减去中间孔的面积。面积求出后乘以厚度和比重就得出质量，再乘以偏心距就可以求出偏心矩。在设计时，根据振动轴的强度要求先确定其直径，根据偏心块的强度条件确定R2，根据结构需要确定b或，最后按振动压路机振动参数要求的静偏心矩Me确定R1和。R1,的两个尺寸可选定一个进行计算，然后逐渐调整，以逼近两个尺寸最佳匹配。 参照同类产品，各尺寸初步确定如下：表一，活动偏心块R1R2L1L2R3R4R52550851801814040251020表二，固定偏心块1R1R22R34050851804040使用PRO/E程序完成三维设计，并设置偏心块轴孔直径1、外径R1、外径R2、厚度等参数为变量，可根据具体要求重新设定各尺寸。固定块参数化程序如下：INPUT HOUDU NUMBER 请输入厚度 ZHOUKZJ NUMBER 请输入轴孔直径 R1 NUMBER 请输入小圆半径 R2 NUMBER 请输入大圆半径 XIAOKZJ NUMBER 请输入销孔直径 L NUMBER 请输入销孔中心距END INPUTRELATIONSD3=XIAOKZJD4=ZHOUKZJD6=R1D0=2*R2D1=L/2D2=L/2D7=HOUDUEND RELATIONS设计结果如图2-3： 图2-3固定块活动块参数化程序如下：INPUT HOUDU NUMBER 请输入厚度 ZHOUKZJ NUMBER 请输入轴孔直径 R1 NUMBER 请输入小圆半径 R2 NUMBER 请输入大圆半径 L1 NUMBER 请输入偏心距 L NUMBER 请输入销孔中心距 R3 NUMBER 请输入销孔圆角半径 R4 NUMBER 请输入外圆角半径 R5 NUMBER 请输入内圆角半径END INPUTRELATIONSD0=ZHOUKZJD1=R4D2=R4D3=2*R3D4=R2D5=L/2D6=2*R1D7=R5D8=R5D9=2*R3D10=L/2D11=L1END RELATIONS 设计结果如图2-4： 图2-4 活动块2.3.2按初定尺寸校核激振力活动偏心块的截面积A2、偏心距r、偏心质量 md和静偏心矩Me：=56610.0 mm2=58.8 mmmd=*10-6=7.85*56610.0*25*10-6=11.1 kgMe=md*r=11.1*58.8*10-3=0.644 kgm固定偏心块的截面积A1、偏心距r、偏心质量 md和静偏心矩Me：=67282.4 mm2=45.7 mmmd=*10-6=7.85*67282.4*40*10-6=21.12 kgMe=md*r=21.12*45.7*10-3=0.97 kgm合成静偏心矩及激振力w=2*=2*3.14*30=188.4 rad/s高振幅时：Me=2*(2Me1+Me2)=2*(2*0.97+.0644)=5.168 kgmF0=Me*w*w=5.168*188.4*188.4=183435.8 N110000 N低振幅时：Me=2*(2Me1-Me2)=2*(2*0.97-.0644)=2.592 kgmF0=Me*w*w=2.592*188.4*188.4=92001.9 N由上面计算知高振幅时，F0超出给定值，所以需要调整偏心块参数。 调整为：表三，活动偏心块R1R2L1L2R3R4R5207080155224040251020表四，固定偏心块1R1R22R33570801553040活动偏心块的截面积A2、偏心距r、偏心质量 md和静偏心矩Me：=41025.4 mm2=50.7 mmmd=*10-6=7.85*41025.4*20*10-6=6.44 kgMe=md*r=6.44*50.7*10-3=0.327 kgm固定偏心块的截面积A1、偏心距r、偏心质量 md和静偏心矩Me：=49170.2 mm2=42.3 mmmd=*10-6=7.85*49170.2*35*10-6=13.5 kgMe=md*r=13.5*42.3*10-3=0.572 kgm合成静偏心矩及激振力高振幅时：Me=2*(2Me1+Me2)=2*(2*0.572+0.327)=2.942 kgmF0=Me*w*w=2.942*188.4*188.4=104424.8 N110000 N低振幅时：Me=2*(2Me1-Me2)=2*(2*0.572-.0.327)=1.634 kgmF0=Me*w*w=1.634*188.4*188.4=57998.1 N 所以满足要求。2.3.3利用PRO/E求偏心矩由上面计算过程可知，要想得到一个合适的参数有时需要大量的反复计算，这需要大量的时间和精力。随着计算机辅助设计的推广应用， 大型三维软件如PRO/E等也进入了工厂设计领域。利用PRO/E中的分析功能可以直接得出偏心块的质量和偏矩， 这样一来可以省下大量的时间和精力来进行其他方面的设计计算。 在PRO/E中甚至可以将固定偏心块和活动偏心块装配在一起来求出这3块的总偏心矩。在PRO/E中的设计步骤如下：首先进入PRO/E12的建模界面下，利用草图做出2块偏心块和挡销的实体来， 注意要将实体的比重改为7.85e-6 kg/mm3（钢的比重）建模时将偏心块的大圆孔中心设为坐标原点，然后进行装配。将2个固定偏心块，活动偏心块和挡销按实际尺寸装配在一起， 在装配时要给活动偏心块和固定偏心块平面之间加一个夹角的约束，即：当3块偏心块叠加时的夹角为0相减时为180，如图2-5和图2-6所示 图2-5 图2-6 最后按以下步骤求偏心矩和质量，分析-模型分析，出现模型分析对话框,在类型中选模型质量属性，点一下结果下面的计算就出现了各个方向上的偏心矩数值。显示的数值单位是以公斤和毫米为单位，要注意单位换算。以上面计算为例：活动偏心块的截面积A2、偏心距r、偏心质量 md和静偏心矩Me：A2=41025.4 mm2r=50.7 mmmd=6.44 kgMe= 0.327 kgm固定偏心块的截面积A1、偏心距r、偏心质量 md和静偏心矩Me：A1=49170.2 mm2r=42.3 mmmd=13.5 kgMe= 0.572 kgm3块偏心块叠加(2块固定1块活动)质量：md=33.44 kg偏心矩：Me=1.471 kgm3块偏心块相减(2块固定1块活动)质量：md=33.44 kg偏心矩：Me=0.817 kgmPRO/E软件直接法： 3块偏心块叠加 质量：md=35.07 kg 偏心矩：Me=1.505 kgm 3块偏心块相减 质量：md=35.07 kg 偏心矩：Me=0.794 kgm从上述两种方法计算得出的偏心矩来看，这几个数值相差不大，误差在2.5%以内，而由此计算出的振幅和激振力也是一样的，产生误差的原因是在公式法中没有考虑到偏心块的外沿倒角和圆角，应以PRO/E软件直接法的数据最为可靠。3基于ANSYS WORKBENCH的小型振动压路机偏心块模态分析振动现象是机械结构经常遇到的问题之一,由于振动会造成结构的共振或疲劳,从而破坏结构,因此了解结构本身具有的刚度特性即结构的固有频率和振型,将会避免在使用中因共振因素造成的不必要的损失。所谓的模态分析就是确定设计结构或机械零部件的振动特性,得到结构固有频率和振型的过程。偏心块作为振动结构中的关键零件,其刚度与强度以及动态特性直接影响着整个振动结构的工作性能和寿命,因此对其进行有限元模态分析,并进一步实施更为详细的动力学分析,如谱响应分析、瞬态动力学分析、频谱分析等,在机械结构的振动特性分析、振动故障诊断以及结构动态特性的优化设计过程中都有着很重要的实际意义。3.1 模态分析的基本原理对于一个有N个自由度的线性系统,其运动微分方程可以用下式表示M+C+Kx=F （1）式中，M、C和K分别为系统的质量、阻尼和刚度矩阵；、x和F分别为系统各点加速度响应向量、速度响应向量、位移响应向量和激励力向量。对于这样一组耦合方程,当系统的自由度很大时求解将非常困难，模态分析方法就是以无阻尼的各阶主振型所对应的模态坐标来代替物理坐标,使式(1)解耦,变成各个独立的微分方程，对式(1)进行拉氏变换后得到(s2M+sC+K)x(s)=F(s) （2）引入模态坐标q,令s=jw,x=q,其中为振型矩阵,使用可以将M、C和K对角化,进一步可得到解耦后在模态坐标下相互独立的N自由度系统的方程组(Ki-wi2Mi+jwiCi)qi= (i=1、2、n) （3）式中,Ki、Mi和Ci分别为系统的模态刚度、模态质量、和模态阻尼, i为模态振型;因为要对偏心块进行模态分析,要求解的是固有频率和振型参数固有模态,与外载荷无关。结构阻尼对固有频率的影响很小,也可以忽略不计,故式(3)可以简化成无阻尼自由振动方程(Ki-wi2Mi)qi=0 (i=1、2、n) （4） 式中,wi为自由振动固有频率,由特征方程可得wi=，N个自由度的系统有N个固有频率。3.2 用ANSYS Workbench进行分析3.2.1 ANSYS Workbench概述Workbench环境中，工作人员始终面对同一个界面，无须在各种界面之间频繁切换。Workbench环境下可直接读入各种CAD软件的零件模型，并在其统一环境中实现任意模型装配和CAE分析。结合相同或不同CAD软件模型数据就得到CAE分析用的CAD模型库。这些模型库保留CAD 中的设计参数，并通过连接技术实现与CAD软件之间的共享，其优点13是任何CAD和CAE人员对设计的改变都立即反映到对方的软件环境中，从而实现设计-仿真的同步协同。在ANSYS协同仿真环境中能将UG、PRO/E等CAD软件的零件模型直接接入，保留尺寸参数的条件下实现任意装配、分析和优化。Workbench的特征：Workbench的创新是革命性的，具有如下几个方面的明显特征：（1）CAE软件和模型数据整合。在ANSYS AWE环境中建立仿真分析模型，将所有CAE（包括FEA/CFD/CEM）软件作为求解器进行调用，执行仿真分析，并允许进行优化设计。整合所得CAD模型经过网格划分、施加载荷工况与边界条件，然后调用CAE程序进行分析求解，还可以应用CAE分析进行设计优化计算。ANSYS AWE环境下可以解读并转换各种CAE软件的模型数据。（2）CAD-CAE数据共享与交换。在ANSYS AWE环境中CADCAE之间是通过链接的方式共享几何模型数据，包括尺寸、尺寸参数和装配参数等，可以实现双向参数互动。CAD人员修改CAD软件中的几何设计参数则立即刷新CAE软件中的几何模型，优化设计环境中修改几何设计参数则立即CAE软件中的几何模型。在企业研发中心中，通过ANSYS AWE环境中UG、PRO/E等的CAD模型可以以链接方式共享，不但避免了以前通过文件传入模型方式导致部分特性丢失、参数信息不能传递等问题，而且真正实现了CADCAE参数的双向传递，为进一步执行参数化设计、仿真以及优化奠定了基础，同时也实现了CADCAE之间设计与仿真的协同。（3）客户化及行业化开发平台。针对企业研发中心的许多型号产品的研发流程，ANSYS Workbench协同环境作为一个开放性应用平台不仅可构建一个系统集成和设计仿真协同环境，而且可以实现各种产品型号或者系统的专用平台开发。 ANSYS把成熟的CAE软件拆成CAE技术组件（API）协调仿真环境是由这些组件装配而成。用户可以方便的重新装配这些组件，形成用户定制的协同仿真环境，同时可以放弃不需要的原有组件，真正量身定制，短小精悍。另外用户可以自己开发新的组件，与ANSYS组件平等。一旦开发出这些流程化、规范化和专业化的研发程序，即使不具备专业的仿真知识和经验，设计人员也可以在产品设计研发的过程中进行各种各样的必要仿真和分析，而提出各种高品质和高效能的设计方案，同时确保产品质量和性能的稳定性与可靠性。（4）特色功能l 异构CAD零部件的“链接”和重新装配。l 仿真模型与设计模型的双向参数互动。l 装配关系自动探测、接触单元自动建立。l 读写各种仿真软件的网格文件。l 快速解读异构CAE软件的复杂模型。l 异构CAE“死网格”参数化“再生”技术。l 异构CAE网格模型的重新装配。l 异构CAE软件间的多物理场耦合仿真。降低了其他系统集成的难度，任何应用模型都在Workbench中完成。流程集成所面对的应用程序不再是多个程序，而是同一个环境。l 解决了仿真流程集成中常见的耦合场载荷传递问题。支持单机、C/S、B/S 应用模式。l 支持JavaScript、 VBScript 、C+ 、NET 、ATL、XML、HTML等开发开放模式。3.2.2用ANSYS Workbench进行分析3.2.2.1 建立固定块的有限元模型在有限元模型的建立过程中,有限元网格的划分尤为重要,其划分的质量直接关系到计算的精度和速度。由于ANSYS Workbench可以自动划分网格，在此，我们采用ANSYS Workbench对其进行自动网格划分