加工中心立柱的計算模態(tài)分析
在動態(tài)分析領域,結(jié)構的模態(tài)分析的使用是非常廣泛的,其主要目的是獲取結(jié)構的 振型、固有頻率等模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析方法主要分析計算模態(tài)分析和試驗模態(tài)分析兩種, 而計算與試驗的相互結(jié)合、相互驗證更有助于得出準確的結(jié)果[48]。通過觀察振型可以知 道在某個固有頻率(共振頻率)下結(jié)構的變形趨勢,進而可以從這些較弱的部分來加強 結(jié)構的剛性。其次還可以確定支撐結(jié)構和其它結(jié)構放置時的理想位置,盡量不把物體放 置在振型幅值較大的位置。
利用有限單元法來做模態(tài)分析的基本思路是,首先將連續(xù)體離散,化為有限數(shù)目的 單元結(jié)構,然后基于平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件,將系統(tǒng)看作多自由度系統(tǒng)來求解。
本小節(jié)利用ANSYS有限元分析軟件對臥式加工中心的立柱結(jié)構進行計算模態(tài)分 析,得出其前四階模態(tài)的相關振型和固有頻率。不考慮網(wǎng)格劃分和單元類型的話,結(jié)構 的模態(tài)分析結(jié)果主要取決于兩點,其一是結(jié)構本身的特性,其二是結(jié)構所受到的約束。 根據(jù)結(jié)果所受到的約束,可以將模態(tài)分析分為自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析兩種。自由 模態(tài)分析即不施加任何約束使結(jié)構處于一種自由狀態(tài),分析結(jié)果的前六階為6個剛體模態(tài),包括由結(jié)構質(zhì)量決定的3個平動模態(tài)和由轉(zhuǎn)動慣量決定的3個轉(zhuǎn)動模態(tài)。
材料屬性定義與2.1.2小節(jié)中靜力分析中的定義一樣,為灰鑄鐵HT250。
2. 2.1自由模態(tài)分析
劃分網(wǎng)格后,不添加任何約束,修改Analysis Setting中的Max Modes to find為12, 求解立柱的前12階自由模態(tài)。相應的固有頻率和振型描述如下表所示:
表2.2前6階自由模態(tài)固有頻率值和振型描述
Tab.2.2 1st - 6th natural frequency and free mode description of colimm
|
階次 |
固有頻率 (Hz) |
階次 |
固有頻率 (Hz) |
振型描述 |
|
V |
0 |
1(7’) |
135.11 |
立柱兩支撐面反向振動 |
|
2, |
0 |
2(8’) |
142.37 |
立柱沿以Y向為軸的扭動 |
|
3, |
0 |
3(9,) |
162.35 |
兩支撐面在Y向上下振動 |
|
4, |
4.6636e-004 |
4(10,) |
228.44 |
以支撐面中線為軸振動 |
|
5, |
9.6344e-004 |
5(11,) |
237.30 |
支撐面以Y向中線為軸振動 |
|
6, |
1.3707e-003 |
6(12,) |
248.74 |
兩支撐面做開合式振動 |
自由模態(tài)的前三階固有頻率為零,第4’、5’和6’階固有頻率接近零,這是由于計算 誤差造成的,故前六階模態(tài)固有頻率均可看作為零,其振動是由于水平方向或者垂直方 向的力導致的且主要在低頻段。鑒于前六階模態(tài)的固有頻率為零,將實際的第七階模態(tài) (彈性體模態(tài)的初始模態(tài))看作第1階模態(tài)并以此向下對應之。第1階模態(tài)到第4模態(tài) 的振型云圖如下如所示:
2. 2. 2約束模態(tài)分析
約束模態(tài)分析即是考慮在加工中心的實際工作情況中立柱的邊界條件,因為對于一 個系統(tǒng)來說,若與之連接的系統(tǒng)發(fā)生改變那么其自身的動態(tài)特性也會收到影響而改變 [5Q]。邊界條件的設定會對結(jié)構的固有頻率和模態(tài)振型產(chǎn)生較大影響,這可以通過對比自 由模態(tài)和約束模態(tài)分析的結(jié)果看出。
約束位置首先是位于立柱下底面上的滑塊接合面上,約束形式為除X向滑動外的固 定約束,其次是下底面上的滾珠絲杠接合面,約束形式為固定約束。
前四階模態(tài)的具體的固有頻率和其相應的振型描述如下表所示:
表2.3前4階約束模態(tài)固有頻率值和振型描述
Tab.2.3 1st - 4th natural frequency and constraint mode description of column
|
階次 |
頻率(Hz) |
振型描述 |
|
1 |
60.648 |
立柱沿Y方向擺動 |
|
2 |
129.51 |
立柱向X正方向擺動 |
|
3 |
170.62 |
立柱繞Z方向扭動 |
|
4 |
184.47 |
立柱兩支撐面反向振動 |
2024-11
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