基于ANSYS的高速电机试验台底座的模态分析及优化

1、    基于ansys的高速电机试验台底座的模态分析及优化    孙炜海 李明 鞠桂玲 刘锋 摘 要：高速电机试验台常用于机械加工企业中，对工作稳定性要求较高，而试验台底座对试验台的整体性能具有重要的影响。采用ansys有限元软件，对试验台底座进行模态分析，得到其前3阶的振型和固有频率，依次讨论了底座优化钢板结构、灌注混凝土、改变固定方式等的影响，进一步提出了优化方案。研究表明：灌注混凝土能小幅提高固有频率，优化钢板结构和固定方式能较大幅度提高固有频率。关键词：高速电机试验台;底座;模态分析;ansysdoi：10.16640/ki.37-1222/t.

2、2019.20.0400 引言随着科技进步，对加工精度的需求越来越高，高速电机应运而生。高速电机通常是指转速超过10000 r / min的电机，具有功率密度高，传动效率高等优点，但同时由于其额定转速较高，更易引起共振现象，共振不仅对试验台的正常工作造成较大影响，甚至会导致重要零部件的损坏，这就对试验台底座的结构特性提出了更高的要求1-4。本文基于ansys软件进行仿真，得到试验台底座的前3阶模态，分析应力分布，并提出优化方案，依次从优化钢板结构、灌注混凝土、改变固定方式三个方面展开讨论，并加以验证。1 理论依据试验台底座是一个多自由度线性定常系统，其运动微分方程可表示为：式中的、分别表示质量

3、矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵，、分别表示加速度向量、速度向量、位移向量，表示外部激励力。在实际工作中，底座外部激励力为0，且阻尼项可以忽略不计，简化为：其对应的特征方程为：式中的表示固有频率，解方程（3）即可得到包括固有频率和振型在内的模态参数5。2 模态分析2.1 几何建模利用ansys软件中的几何模块对试验台底座进行建模，简化后整体结构如图1所示：顶端表示电机部分，假设为等质量的刚体，通过4个垫片以螺栓的方式与底座固定，底座中间部位是4块焊接成长方体状的竖直钢板，且在y方向和x方向的两侧各有5块和1块肋板加以支撑，底板开槽，每侧各有2个，每个槽的两端通过螺栓与下方固定。2.2 材料参数为了获得

4、较好的力学性能，试验台底座材料采用结构钢，其密度为7850 kg / m3，弹性模量为200 gpa，泊松比为0.3。2.3 网格划分网格质量对模态分析结果具有重要的影响，为提高计算精度，进一步细化网格，设置单元尺寸为1.5 cm，将底座划分为55327个单元，共138158个结点。2.4 结果分析在仿真过程中，一般根据需要选取所需计算的模态阶数，本试验台所用电机额定转速为10000 r / min，通过求解计算，得到试验台底座的前3阶模态振型如图2所示，对应的前3阶固有频率分别为1= 116.43 hz，2=211.72 hz，3=371.95 hz。从图2中可以看出：第1阶振型为以底板为基

5、点，以z轴为轴线，在y方向的摆动;第2阶振型为以底板为基点，以z轴为轴线，在x方向的摆动;第3阶振型为以底板螺栓固定处为基准，在z方向的往复振动，且当底座向上振动时，中间部位的4块竖板以其各自几何中心为应力集中点向外拉伸，当底座向下振动时，中间部位的4块竖板以其各自几何中心为应力集中点向里收缩，肋板伴随竖板振动。3 优化方案通过求解计算得知试验台底座的第1阶固有频率为116.43hz，低于电机额定工作时的频率，从而导致共振，为避开共振就要提高底座的第1阶固有频率，下面从三个方面对底座提出优化方案。3.1 对钢板结构的优化3.1.1 改变中间部位钢板结构原模型中间部位采用矩形钢板焊接而后以肋板支

6、撑的方式，从支撑肋板的角度考虑，把4块矩形钢板改进为梯形，焊接成棱台，其结构如图3所示，为方便描述将其命名为模型2。优化后中间部位用料质量为250 kg，比原模型减少70.28 kg钢材。求解其前3阶模态，得到前3阶固有频率分别为1=160.91 hz，2=211.62hz，3=302.1 hz。可知第1阶固有频率为160.91hz，虽然仍不满足工作需求，但已相差较小。3.1.2 加厚底板通过观察试验台底座第1阶振型，发现底板螺栓固定处内侧的部分在振动时同样会发生形变，考虑通过增加底板的厚度来抑制形变，从而提高底座的固有频率。现将底板的厚度增加10mm，求解计算底座的前3阶模态，得到前3阶固有

7、频率分别为1=173.9hz，2=240.97 hz，3=309.23 hz。可知第1阶固有频率为173.9 hz，避开了共振频率，满足工作需求。但这种方案会多消耗58kg的钢材。3.2 灌注混凝土混凝土是一种较廉价的工程用料，考虑在试验台底座中间部位的空腔處灌注混凝土，进而提高固有频率。现假设分别在模型2中间部位空腔处灌注1 / 3的混凝土，灌注2 / 3的混凝体以及灌满混凝土，并依次命名为方案1、方案2以及方案3，而后求解计算底座的前3阶模态，得到的固有频率如表1所示：灌注混凝土后底座的第1阶固有频率同样满足随着灌注混凝土质量的增加而变大，当灌注1 / 3的混凝土后底座的第1阶固有频率已达

8、到169.25 hz，满足工作需求。3.3 改变固定方式试验台底座的底板通过螺栓与下方基座固定，针对第1阶振型中螺栓固定处内侧的部分发生形变，考虑改变固定方式，把底板整个底面进行约束，进而提高固有频率。求解计算新约束下底座的前3阶固有频率分别为1=220.78hz，2=302.54 hz，3=316.9 hz，发现第1阶固有频率达到220.78 hz，避开了共振频率，满足工作需求。4 结论针对高速电机试验台在工作中的振动问题，基于ansys软件对底座结构进行仿真，得到其前3阶模态。分析第1阶振型，进一步提出优化方案，并加以验证。研究表明：（1）将底座中间部位改为梯形钢板焊接的棱台能较大幅度提高第1阶固有频率，且节省成本;加厚底座底板后的第1阶固有频率能够直接满足工作需求。（2）在底座中间部位空腔中灌注混凝土能小幅度提高第1阶固有频率，且底座的第1阶固有频率随着灌注混凝土质量的增加而变大。（3）底座底板的固定方式由螺栓固定改为全底面固定后的第1阶固有频率大幅提高，能够满足工作需求，因此对试验台电机底座加强固定约束，能够提高其最低固有频率。参考文献：1姚宏，彭亚黎，刘祖国等.基于ansys的高速轴齿轮结构有限元静应力及模态分析j.湖北工程学院学报，2018（06）.2林巨广，胡凯江.基于ansys的试验台底座优化设计j.机床与液压，2014（42）.3吴学锋，张保成