ANSYS的丝杠模态分析

来源：微智科技网

・机械制造与研究・　　　　　　　傅中裕,等・ANSYS的丝杠模态分析

ANSYS的丝杠模态分析

傅中裕,杨晓京

(昆明理工大学机电工程学院,云南昆明650093)

摘　要:丝杠是机床进给系统中十分重要的部件,然而传统的解析方法难以完成精确全面的计算和分析,因此必须对丝杠进行动力学研究。讨论了如何运用先进的有限元分析软件ANSYS对丝杠进行模态分析;研究了丝杠的无阻尼自由振动;得到了系统的固有频率和振型。关键词:ANSYS;模态分析;固有频率;振型

中图分类号:TG502113;TP319　文献标识码:A　文章编号:167125276(2004)0620037203

ModalAnalysisofLeadingScrewBasedonANSYSSoftware

FUZhong2yu,YANGXiao2jing

(FacultyofMachineandElectronicsEngineering,KunmingUniversityofScience&Technology,YNKunming650093,China)Abstract:Leadingscrewisveryimportantpartinthemachinetoolfeedingsystem.Howeverthetraditionalanalyticwaycannotfinishtheaccurateandcompletecalculationandanalysis.Soitisverynecessarytomakedynamicresearchonleadingscrew.ThispaperdescribeshowtousetheadvancedandpowerfulFEAsoftwareANSYStodothemodalanalysisonleadingscrew,whichstudiestheundampedfreevibrationonleadingscrew,thengetstheintrinsicfrequencyandthevibrationmodel.Keywords:ANSYS;modalanalysis;intrinsicfrequency;vibrationmodel

0　引言

现在的机床正日益向高精度、高速度和高刚度的方向发展,因此对其进给系统的要求也越来越高。而作为进给系统关键部件的丝杠必须具有良好的动态性能。而传统的解析计算方法无法完成精确全面的计算和分析。因此必须对丝杠进行动力学研究。通过介绍使用大型通用有限元分析软件对丝杠的固有振动特性进行分析,得到了丝杠的固有频率和振型。

率,是现代工程设计人员必不可少的工具之一。

1.1　建模和分网

首先要定义材料属性、实常数和材料单元类型属性等。丝杠的材料一般是钢,故可以通过查表得到所需要的各种参数。具体的参数值列于表1。

表1　材料属性值表

属性名称弹性模量/GPa

泊松比密度/(kg/m3)

属性值

2100.37800

1　用ANSYS对丝杠进行模态分

析的步骤

　　ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的融结构、传热学、流体、声学和爆破分析于一体的大型通用有限元软件,它具有强大的前后处理及计算能力,能够同时模拟结构、热、流体、电磁、声学以及多种物理场之间的耦合,大量应用于土木工程、水利水电工程、汽车工程、机械、采矿、核工业和船舶等领域。ANSYS极大地提高了工作人员的工作效

MachineBuilding&Automation,Dec2004,33(6):37～39

在本次分析中选用的单元类型为SOLID45单元,此单元是分析弹性结构空间问题中使用比较广泛的一种单元。它是一种八节点的单元,有利于更复杂的形状函数。而在建立模型的时候,考虑到减小问题的规模,故在对精度影响不大的前提下对模型做了适当简化,去除了螺纹和键槽等一些细节信息。由于ANSYS系统本身没有默认的单位设置(角度除外),在建模过程中要特别注意单位问题,

要统一使用单位,否则最后的计算结果会出现错误

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・机械制造与研究・　　　　　　　傅中裕,等・ANSYS的丝杠模态分析(往往是有几个数量级的误差)。在该分析中模型

际情况中,高于10阶频率的高频振动情况比较少见,故在求解设置中取扩展模数为10,以得到丝杠的10阶固有频率。通过ANSYS的SOLUTION求解器就可以开始问题的求解了,求解的时间取决于问题规模的大小。

的尺寸单位用m,其他单位都用国际标准单位。在ANSYS中建立的简化模型如图1所示。接着对该

模型进行网格划分,采用自由网格划分,并使用SmartSizing智能单元大小,取划分精度为5。在

划分网格的时候也要注意网格的密度,不能太密,否则会导致计算机计算量迅速增加,严重的可能会导致计算不能进行。同时网格密度也不能太稀疏,否则得不到比较精确的求解。划分好的网格模型如图2所示。

图3　约束后网格模型1.3　后处理后处理就是查看ANSYS的计算结果,从某种意义上讲,可能是整个分析过程中最重要的环节。

图1　丝杠简化模型通过后处理这一工具对计算结果进行分析,以此确定结构的行为状态。ANSYS提供的通用后处理器POST1和时间历程后处理器POST26两种后处理

器可以实现强大的后处理功能,包括频率列表、振动动画以及云图等。表2就是在POST1中的得到的频率表。

表2　丝杠自振频率表

子步数

自振频率/Hz

654.61656.871748.21754.93222.33300.33308.04917.85219.55233.2

振型水平一弯垂直一弯水平二弯垂直二弯扭转振动水平三弯垂直四弯轴向振动水平四弯垂直四弯

图2　丝杠模型的网格模型

1.2　加载并求解

该丝杠采用双推—双推的支承结构形式,可以达到较高的高刚度要求和位移精度要求。由于这种支承方式两端固定,故其两端X、Y、Z三个方向的自由度全部被约束。所以在与轴承内圈接触的面上的所有接点都加上X、Y、Z三个方向的约束。加上约束后的有限元模型如图3所示。选择分析类型为模态分析,设置分析选项。ANSYS中提供了Subspace子空间法等一共7种模态提取的方法。其中子空间法适用于大型对称特征值求解问题,可以通过几种求解控制选项来控制子空间迭代过程。现选用子空间法来提取丝杠的模态。在实

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通过观察上述频率表可以发现,除了第5步和第8步,其他子步每两个相邻子步的频率非常接近,并且通过下面的振型图可以看出相邻子步的振型表现为正交。所以可以将这些相邻的子步的频率可以看成是振动方程解的重根。其中第一对相

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・机械制造与研究・　　　　　　　傅中裕,等・ANSYS的丝杠模态分析邻子步的振型图如图4及图5所示。

图7　轴向振动

图4　第一子步振型(水平一弯)

　　至此,整个丝杠的模态分析过程就完成了。通过该有限元分析得到丝杠的比较精确的10阶固有频率和非常直观的振型图。2　结论通过有限元分析软件ANSYS分析和研究了丝杠的固有振动特性,包括了固有频率和振型,并得出了比较精确直观的结论。而这些分析对于设计和后续的分析校核都非常有用。得知了丝杠频

图5　第二子步振型(垂直一弯)

率,我们可以避免由于其他同频干扰或激振造成丝杠的共振,这对于整个进给系统以至整个机床系统的设计都有指导意义。还可以通过弯曲频率计算校核丝杠的最高转速频率,确定丝杠的正常工作条件。同时,笔者还提供了一个以先进有限元软件解决传统模态分析问题的实例,可对其他同类型的模态分析起到参考作用,对于广大的设计人员有一定的参考指导作用。通过有限元软件进行各种模态分析必将取代传统的计算方法,使分析设计跨入一个新的时代。

参考文献:

　　从上述振型图可以清楚的看到,第1子步产生弯曲振动,振动方向是沿着X方向,而且弯曲只有一个极值点,所以是水平一弯振动。而第2子步的振动方向是沿着Y方向的,也只有一个极值点,所以是垂直一弯振动。其它相邻子步的振型都是正交的弯曲振动,只是极值点数不同。在一般情况下我们只关心低阶频率的一弯振动。再对第5步和第8步子步振型进行振型观察,可以得出如下结论:第5步是扭转振动,第8步是轴向振动。其振型图如图6和图7所示。

[1]ANSYS融会与贯通[M]1北京:中国水利水电出版社,20021[2]ANSYS工程应用教程机械篇[M]1北京:中国铁道出版社,

20031

[3]ANSYS7.0工程分析实例详解[M]1北京:人民邮电出版社,

20031

[4]机电装备设计[M]1北京:机械工业出版社,20021[5]昆明理工大学学报增刊[M]1昆明:昆明理工大学,20031

收稿日期:2004207205

图6　扭转振动

基金项目:云南省科技厅自然科学基金项目资助(2001E0010Q)

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