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基于有限元法的滚动轴承结构和模态分析与研究说明书

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基于 有限元 滚动轴承 结构 分析 研究 说明书
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基于有限元法的滚动轴承结构和模态分析与研究说明书,基于,有限元,滚动轴承,结构,分析,研究,说明书
内容简介:
课题介绍:(主要内容、现有条件、预期成果及表现形式。)主要内容:本课题主要是根据已确定的滚动轴承相关结构参数利用Pro-E软件建立其三维实体造型;然后,将该三维模型导入ANSYS中进行滚动轴承的模态分析,对计算结果进行固有频率和振型的分析, 进而得到其固有频率以及对应的振型,为在设计滚动轴承的过程中避开这些区域, 避免产生共振, 从而达到提高齿轮系统品质的目标。现有条件:已有的研究成果和相关论文可供参考。通过对实际工程设计问题中的仿真分析全过程的实践,培养和锻炼学生灵活运用所学知识分析和解决问题的能力,对提高机械工程专业学生的专业素养有较大帮助。 预期成果及表现形式: 建立滚动轴承的三维实体造型,并通过ANSYS分析得出轮系的固有频率和模态振型图,同时完成相关内容的论文一份。申报人签名: 模态分析可分为计算模态和试验模态分析,其结构动态特性用模态参数来表征。在数学上,模态参数是力学系统运动微分方程的特征值和特征矢量,即要知道结构的几何形状、边界条件和材料特性,把结构的质量分布、刚度分布和阻尼分布分别用质量矩阵、刚度矩阵和阻尼矩阵表示出来,这样就有足够多的信息来确定系统的模态参数(固有频率、阻尼比和模态振型)。理论证明,这些模态参数可以完整地描述系统的动力学特性。实验方面,它是从测量结构上某些点的动态输入力和输出响应开始,并且一般还要将测量得到的数据转换成频响函数。理论证明,这些频响函数可以用模态参数表示,因此试验模态分析的第二步就是从测得的频响函数来估计这些模态参数。模态分析是若干工程学科的综合,涉及到结构动力学理论、数字信号处理、系统辨识和测试技术等学科。随着模态分析专题研究范围的不断扩展,从系统识别到结构灵敏度分析以及动力修改等,模态分析技术已被广义地理解为包括力学系统动态特性的确定以及与其应用有关的大部分领域。本章将从模态的计算分析和试验分析两个角度来简要介绍模态分析的基本理论。关于模态分析理论做以下三点基本假设:1.线性假设:结构的动态特性是线性的,就是说任何输入组合引起的输出等于各自输出的组合。2.时不变性假设:结构的动态恃性不随时间而变化,因而微分方程的系数是与时间无关的常数。由于不得不安装在结构上的运动传感器的附加质量,可能出现典型的时不变性问题。3.可观测性假设:这意味着用以确定我们所关心的系统动态特性所需要的全部数据都是可以测量的。为了避免出现可观测性问题,合理选择响应自由度是非常重要的。试验模态分析,又称模态分析的实验过程,是一种试验建模过程,属于结构动力学的逆问题。首先,试验测得激励和响应的时间历程,运用数字信号处理技术求得频响函数(传递函数)或脉冲响应函数,得到系统的非参数模型;其次,运用参数识别方法,求得系统模态参数;最后,如果有必要,进一步确定系统的物理参数。因此,试验模态分析是采用实验与理论分析相结合的方法来识别系统的模态参数(模态频率、模态阻尼、振型)的过程1,2。模态参数识别是试验模态分析的核心。试验模态分析方法又称模态分析的试验过程。是一个综合运用线性振动理论、动态测试技术、数字信号技术处理和参数识别等手段,进行系统识别的过程,是对结构或系统进行分析的一种试验建模方法。试验模态分析的目的是,通过试验测得激励和响应的时间历程,运用数字信号处理技术求得频响函数(传递函数)或脉冲响应函数,然后进行曲线拟合得到系统的非参数模型;最后,运用参数识别方法,计算出决定结构系统的模态参数,进而建立起结构动态模型。为下一步的动力响应分析,理论计算模型的验证和结构的修改提供重要的技术数据。目前,频响函数测试技术正沿着两条道路发展。一条道路是单点激振多点测量(或一点测量,逐点激振)技术;另一条道路是多点激振多点测量技术。多点激振技术适用于大型复杂结构,如船体、机体或大型车辆结构等。它采用多个激振器,以相同的频率和不同的力幅和相位差,在结构的多个选定点上,实施激励,使结构发生接近于实际振动烈度的振动。它能够激励出系统的各阶纯模态来,从而提高了模态参数曲识别精度。但是这种技术要求配备复杂昂贵的仪器设备,测试周期也比较长。相比较而言,由于多通道数据采集系统的飞速发展,使得单点激励多点响应这一频率响应函数测量技术有了坚实的物质基础,并推动了这种快速、简单的测量方法在众多工程实际中的广泛应用。在频响测量分析中,一般情况下,固有频率被认为是最能准确得到的,因而频响分析工作往往首先从寻求固有频率开始,然后求得结构阻尼。阻尼确定之后,接下去的工作便是求取刚度和质量。对于多自由度系统来说,还要确定振型,并对振型进行适当的归一化后,刚度和质量参数才能确定。因此多自由度系统的模态参数,除阻尼、刚度、质量和模态频率外,还有一个重要的参数,就是模态振型。模态分析技术源于20世纪30年代提出的将机电进行比拟的机械阻抗技术。由于当时测试技术及计算机技术的限制,它在很长时期内发展非常缓慢。至20世纪50年代末,该技术仅限于离散稳态正弦激振方法。60年代末,计算机技术飞速发展使得实验数据处理和数值计算技术出现了崭新的面貌,为了适应现代工程技术要求,试验模态分析技术应运而生。70年代开始,随着FFT数字式动态测试技术的飞速发展,使得以单入单出及单入多出为基础识别方式的模态分析技术普及到各个工业领域,模态分析得到快速发展而日趋成熟。而到了80年代后期,多入多出随机激振技术和识别技术得到了长足发展。从80年代中期至90年代,模态分析技术在各个工程领域得到普及和深层次应用,尤其是在结构性能评价、结构动态修改和动态设计、故障诊断和状态监测以及声控分析等方面的应用研究异常活跃,取得了丰硕的研究成果。目前,模态分析技术已经成为一门重要的工程技术,而不仅仅是从事研究的理论课题。模态分析的本质在于将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程解祸,成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数。坐标变换的矩阵为模态矩阵,其每列为模态振型。试验模态分析是通过试验及数据处理来识别实际结构的动力学模型的过程,第一步是要求测量结构上某些点的动态输入力和输出响应,并转换为频响函数,第二步就是用测得的频响函数来识别估计这些模态参数。面向试验模态分析的数据采集针对模态分析的数据采集有其自身的特点,从模态分析激振的识别方式来看,主要分为单输入单输出(SISO)、单输入多输出(SIMO)和多输入多输出(MIMO)三种方法。SISO方法要求同时高速采集输入与输出两个点的信号,用不断移动激励点位置或响应点位置的办法取得振型数据。SIMO及MIMO的方法则要求大量通道数据的高速并行采集,因而数据采集工作量较大,管理数据困难。SISO方式的成本较低,数据采集工作量也较少,但是,在许多情况下,结构常常因为过于巨大和笨重,以至于采用单点激振不能提供足够的能量,将感兴趣的模态都激励出来,况且结构在同一频率时可能有多个模态,这样单点激振就不能把它们分离出来,此外、单点激振要特别注意激振点的选取,以免丢失模态,同时在单点激励下,对响应信号的拾取往往要根据对象的结构测点划分,在不同节点需要同时采集响应信号。为了在这些情况下得到更好的振型数据结果,常常需要采用两个甚至多个激励来激发结构的振动,同时也需要更多振动测量传感器和数据采集通道来满足MIMO,SIMO的识别需求。这样传统的双通道和四通道等通道数目较少的数据采集器就显得捉襟见肘,本文中多通道数据采集器就是根据工程上模态分析的实际需要将多通道数据采集与工程化的数据管理思想结合起来进行设计的。模态分析就是以振动理论为基础、以模态参数为目标,研究结构动态特性的一种近代分析方法,也是系统辨识方法在工程振动领域中的应用。其经典定义是:将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标,使方程组解祸,成为一组以模态坐标以及模态参数描述的独立方程,以便求出系统的模态参数。模态分析,作为一门交叉学科,得到了迅速的发展,在航空、航天、汽车、机床、发电设备及桥梁结构的振动特性分析、振动控制、故障诊断和预报以及噪声控制等方面有着十分广泛的应用,可归结为以下几个方面:(l)评价现有结构系统的动态特性;(2)在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计;(3)诊断及预报结构系统的故障;(4)控制结构的辐射噪声;(5)识别结构系统的载荷。根据研究模态分析的手段和方法不同,模态分析分为理论模态分析(或称模态分析的理论过程)和试验模态分析(或称模态分析的实验过程)。理论模态分析是以线性振动理论为基础,研究激励、系统、响应三者的关系,通常将系统分为三种模型,即:(l)物理参数模型:以质量、刚度、阻尼为特征参数的数学模型;(2)模态参数模型:以模态频率、模态矢量(振型)和衰减系数为特征参数的数学模型和以模态质量、模态刚度、模态阻尼、模态矢量组成的另一类模态参数模型;(3)非参数模型:频响函数与脉冲响应函数是两种反映振动系统特征的非参数模型。基于ANSYS WORKBENCH轴承的模态分析摘 要:本文基于有限元方法,利用ANSYS/WORKBENCH软件对轴承结构进行静力学与模态分析。得到了轴承主体钢结构的应力、变形以及前6阶固有频率和振型,可为进一步的结构优化和轻量化设计提供理论依据,具有一定的实际工程意义。关键词:轴承;有限元;静力分析;模态分析;ANSYS/WORKBENCH中图分类号:TH228 文献标识码:AStatic analysis and modal analysis of heavy-duty slat feeder based on ANSYS/WORKBENCH(Faculty of Mechanical Engineering, DalianUniversity of Technology, Dalian 116024, China)Abstract Based on the finite element theory, through static analysis and the modal analysis on the structure of heavy-duty slat feeder by the ANSYS/WORKBENCH software, the stress, deformation, the first sixth natural frequencies and vibration modes are calculated. They provide an essential theoretical basis for optimization design and light weight. The paper has some reference values on engineering.Keyword: heavy-duty slat feeder; finite element; static analysis; modal analysis; ANSYS/ WORKBENCH0 引言作为典型机械元器件的轴承,主要承担转动工作,主体钢结构作为轴承的承载和支撑部件,其强度、弹性变形和动态特性直接影响设备的可靠性。钢结构性能研究是一项非常繁琐的过程,其结构复杂、原件集合尺寸差异大,单纯的经验设计难以保证结构的可靠性,潜伏问题难以发现,因而传统的设计已经不能完全满足设计的需求。随着计算机软件的不断开发,现代重要的结构设计大都采用弹性力学有限元法,使设计水平得到显著的提高1。本文以某企业自移式破碎站的轴承主体钢结构为研究对象,对其进行静力与模态分析,对验证轴承主体钢结构强度和刚度要求;推断未测或难测部位的应力和变形状态;找出结构的薄弱环节并改进具有重要的理论参考和实践意义。1有限元模型的建立利用proe软件进行建模,可以从原件库里面直接调用,也可以重新建模,建模无需建立装配模型,只需要在单体零件中直接建立轴承内外圈和球体,选择不合并实体,从而形成多实体的单体零件。轴承元件之间的间隙可以消除。 三维模型的建立三维模型的建立是数值模拟分析中重要、关键的环节。UG软件能够方便地建立复杂的三维模型,企业提供的初始的轴承三维模型主体钢结构是由不同厚度的钢板焊接而成,模型钢板之间存在较多的焊缝,导致模型存在不同大小的间隙,给后继有限元分析带来困难,而且模型结构复杂,且为三维实体,建立有限元模型的过程中,要在符合结构力学特性的前提下建立模型,有必要对结构做合理的简化。其主要简化说明如下:(1).忽略零件中一些微小特征。螺栓孔、倒圆角等一些微小的结构对结果准确性的影响很小,所以建模时不考虑这些微小几何图元;(2).所有焊接位置不允许出现裂缝、虚焊等工艺缺陷,认为在焊接位置材料是连续的,直接填充间隙;(3).轴承模型附件品种繁多,形状复杂,且对机架的刚度和强度影响不大,在计算模型中只要考虑其自重即可,例如料斗、辊子、走台、链板等其它辅助设备。 材料属性 结构用钢均采用Q235碳素结构钢材,Q235的弹性模量E=2.1e11N/m2,密度7830 kg/m3,剪切模量为81000MPa,泊松比为0.3,模型材料为各向同性。表1 材料Q235许用应力一览表: MPa (N/mm2)Tab.1 List of Material Q235 Allowable stress: MPa (N/mm2)厚度t(mm)屈服极限sQ235许用应力I 类载荷安全系数 1.5类载荷安全系数 1.33类载荷安全系数 1.2aaaaaat162351579017710219611316t40225150871699818810840t1002151438316293179103 网格划分有限元网格数目过少,容易产生畸变,并影响计算精度;而数目过大,不仅对提高精度作用不大,反而大大增加了计算工作量2。因此网格划分前对模型进行了体切割与粘接布尔用算,再采用自由划分方式,以满足计算精度与控制计算量的要求。单元类型采用的是三维实体单元Solid 164。将模型的单元大小设置为100mm,划分网格后的有限元模型如图1所示:划分网格后生成:节点数:391020个单元数:56282个图1轴承主体钢结构网格模型Fig.1 Meshing model of the heavy-duty slat feeder structure 施加载荷与约束1.4.1约束施加轴承钢结构与下部衔接结构部分的六个连接面和两个支撑面采用固定约束(fixed support)。如图2所示:1.4.2载荷施加参考移动式散料连续搬运设备钢结构设计规范(JB/T8849-2005)确定轴承载荷定义和工况组合计算方法。根据加载频率,轴承钢结构需要确定以下三种不同类别的载荷:主要载荷、附加载荷和特殊载荷。 在第一种工况下,按I类载荷工况分析,即按照轴承主要载荷进行加载,轴承实际承受的载荷主要有以下几个部分:钢结构自重、设备倾斜载荷(重力加速度沿平行和垂直工作面方向加载)、积垢载荷4.2t、轴承输送物料载荷42t。图2 轴承主体钢结构约束情况Fig.1 Constraintsof the heavy-duty slat feeder structure 模态分析模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性(固有频率和振型)。它是承受动态载荷结构设计中的重要参数,同时也作为其它更详细的动力学分析的起点。进行模态分析时,由于模态分析属于动态分析中的固有特性分析,固有特性由固有频率、振型等一组模态参数构成,它由结构本身(质量与刚度分布)决定,而与外部载荷无关3。所以在对模型进行模态分析时,只需施加约束即可,约束条件与静力学分析时一致。2. 有限元计算结果与分析本文分析了轴承应力与变形计算结果和模态分析结果。2.1 静力学分析结果 图3 轴承主体钢结构位移云图Fig.3 Deformation cloudof the heavy-duty slat feeder structure图4 轴承主体钢结构应力云图Fig.4 Stress cloudof the heavy-duty slat feeder structure图5 应力集中Fig.5 Stress concentration由图3可看出轴承主体钢结构的最大位移发生在端部,最大值为3.380mm,小于许用挠度f4=L/1000=15.180mm,满足刚度要求。由图4可看出主体钢结构的等效应力大多集中在181.15Pa-60MPa之间,处于材料Q235的安全工作范围内,满足强度要求。图5显示,最大应力发生在约束点处,等效应力值为109.18 MPa,这是由在该处的局部约束引起,符合圣维南原理。在有限元计算中,采用的约束为节点约束,而实际此处约束为局部分布约束,所以此处的应力集中可忽略。2.2 模态分析结果轴承主体钢结构的振动可以表示为各阶固有频率响应的线性组合,由振动理论可知,在结构的振动过程中起主要作用的是较低阶模态,高阶模态对响应的影响很小,并且衰减很快,故只考虑低阶模态对钢结构的影响5。低阶振动对钢结构的动态特性起决定性作用,故在进行钢结构模态分析计算时取前6阶,主体钢结构模态分析的固有频率和振型见下表2所示:表2 模态分析结果Fig.2 Result of model analysis阶次固有频率/Hz振型描述大振幅部位及最大幅值19.673钢结构端尾水平摆动端尾,最大幅值0.253mm210.482钢结构断尾水平摆动端尾,最大幅值0.263mm314.125钢结构断尾垂直摆动端尾,最大幅值0.323mm415.226钢结构端尾垂直摆动端尾,最大幅值0.318mm5
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