文/詹俊勇，仲太生?江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司

高速壓力機(jī)模態(tài)分析與試驗(yàn)研究

文/詹俊勇，仲太生?江蘇揚(yáng)力集團(tuán)有限公司

隨著壓力機(jī)工作速度的不斷提高，其動(dòng)態(tài)性能和振動(dòng)問(wèn)題的分析愈來(lái)愈重要。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各種動(dòng)態(tài)因素的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的動(dòng)力分析，以達(dá)到抗振、安全、可靠的目的。如果機(jī)床動(dòng)力學(xué)特性不能與其使用環(huán)境相適應(yīng)，即結(jié)構(gòu)模態(tài)與激勵(lì)頻率渦合會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生共振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使整個(gè)機(jī)床發(fā)生抖振、機(jī)床噪聲過(guò)大，局部發(fā)生疲勞破壞等。本文以250kN開(kāi)式高速壓力機(jī)機(jī)身為分析模型，對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析,并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果，為高速壓力機(jī)結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，提供了依據(jù)。

結(jié)構(gòu)模態(tài)分析理論

根據(jù)振動(dòng)理論，多自由度系統(tǒng)以某個(gè)固有頻率振動(dòng)時(shí)所呈現(xiàn)出的振動(dòng)形態(tài)稱(chēng)為模態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)各點(diǎn)位移存在一定的比例關(guān)系，稱(chēng)固有振型。不論何種阻尼情況，機(jī)械結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)對(duì)外力的響應(yīng)都可以表示成由固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)組成的各階振型的疊加。模態(tài)分析的核心內(nèi)容是確定描述結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的參數(shù)。

高速壓力機(jī)的有限元模型的建立

本文對(duì)高速壓力機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析采用的有限元軟件為Simulation2009，其與SolidWorks無(wú)縫集成，由于SolidWorks功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)便，大大提高了模型建立與處理的效率。

機(jī)體模型的基本假設(shè)

高速壓力機(jī)在工作過(guò)程中工作狀態(tài)非常復(fù)雜，靜、動(dòng)態(tài)特性取決于多方面的因素，因此必須對(duì)其真實(shí)模型作以下2方面假設(shè):

(1)機(jī)體的材料認(rèn)為是各向同性材料，密度分布均勻，并且為完全彈性體。

(2)假定位移和變形都是微小的。

有限元模型的簡(jiǎn)化

本文研究的高速壓力機(jī)是一種采用鑄件的澆鑄、螺栓連接等方式建立起來(lái)的空間實(shí)體結(jié)構(gòu)，主要對(duì)壓力機(jī)的床身、底座和工作臺(tái)進(jìn)行分析，其中床身和底座之間是以8個(gè)螺栓連接，機(jī)身和工作臺(tái)之間是以4個(gè)螺栓連接。對(duì)于以實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)所用的實(shí)體模型，在網(wǎng)格劃分之前需要進(jìn)行簡(jiǎn)化，這樣可以減少工作量，提高計(jì)算效率，同時(shí)又不失精度和準(zhǔn)確度。根據(jù)圣維南原理，模型的局部細(xì)小變化改動(dòng)并不影響模型總的分析結(jié)果，因此對(duì)總的實(shí)體模型作如下簡(jiǎn)化：

（1）部分離應(yīng)力集中區(qū)域較遠(yuǎn)的圓弧過(guò)渡簡(jiǎn)化為直角，工藝上需要的倒角、吊孔等都不考慮，這樣可以減少在這些區(qū)域上網(wǎng)格劃分的數(shù)量，提高計(jì)算速度。

（2）壓力機(jī)上有些構(gòu)件，如：凸臺(tái)、銷(xiāo)孔、軸承座、吊環(huán)孔、線(xiàn)路孔等，僅是為滿(mǎn)足功能要求而設(shè)置的，對(duì)于結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度沒(méi)有很大影響的，可以忽略。

簡(jiǎn)化后的高速壓力機(jī)模型如圖1所示。

圖1 高速壓力機(jī)有限元模型

高速壓力機(jī)結(jié)合部的處理

(1)螺栓結(jié)合部等效動(dòng)力學(xué)模型。在進(jìn)行模擬分析的時(shí)候Simulation2009提供一種“銷(xiāo)釘“的約束單元，程序通過(guò)使圓柱面成為剛性圓柱面，然后通過(guò)桿以指定的軸向剛度和旋轉(zhuǎn)剛度（彈簧）將圓柱面連接起來(lái)，從而模擬銷(xiāo)釘。面的相對(duì)軸向運(yùn)動(dòng)取決于在接合處產(chǎn)生的軸心力及指定的軸向剛度。同樣，相對(duì)旋轉(zhuǎn)取決于在接合處產(chǎn)生的力矩及指定的旋轉(zhuǎn)剛度。

在結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的時(shí)候，以銷(xiāo)釘約束單元可以很方便的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的在螺栓聯(lián)接處用一系列的線(xiàn)性彈簧—阻尼單元模擬的方法。

(2)螺栓結(jié)合部等效動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定。確定了螺栓結(jié)合部等效動(dòng)力學(xué)模型后，還需要確定其等效動(dòng)力學(xué)模型中各個(gè)自由度軸向剛度和旋轉(zhuǎn)剛度（彈簧）的等效動(dòng)力學(xué)參數(shù)。螺栓聯(lián)接是機(jī)床結(jié)構(gòu)中典型的聯(lián)接方式，因此備受研究者重視，并已取得很多研究成果。在螺栓結(jié)合部的研究過(guò)程中，總結(jié)出一些在一定條件下結(jié)合部的計(jì)算公式和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可以利用這些計(jì)算公式和數(shù)據(jù)，直接計(jì)算出結(jié)合部的等效動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

計(jì)算法確定螺栓結(jié)合部等效動(dòng)力學(xué)參數(shù)的過(guò)程包括:

1）結(jié)合部的特性受很多因素的影響，根據(jù)結(jié)合部的面積大小、結(jié)合狀態(tài)、受力方向和壓力分布情況等，確定結(jié)合部在哪些方向上用等效彈簧來(lái)代替；

2）詳細(xì)計(jì)算結(jié)合部接觸面上的比壓。結(jié)合部接觸面上的壓力主要來(lái)自零部件的自重、緊固力和沖壓力，分別計(jì)算這些力對(duì)結(jié)合部的壓力大小，然后相加求得結(jié)合部接觸面上的比壓；

3）根據(jù)結(jié)合部接觸面上的比壓大小及其他結(jié)合條件，從通用數(shù)據(jù)中查出結(jié)合部垂直方向上單位接觸面積的等效彈簧剛度，在剪切方向上單位接觸面積上的等效彈簧剛度；

4）在每個(gè)結(jié)合點(diǎn)所代替的面積上進(jìn)行積分，求得該結(jié)合彈簧剛度系數(shù)。

高速壓力機(jī)的模態(tài)分析

在Simulation軟件中按照上文的方法建立高速壓力機(jī)的有限元模型，在機(jī)身和底座之間建立螺栓單元，設(shè)定好螺栓結(jié)合部的等效動(dòng)力學(xué)參數(shù)，在底座的地腳螺栓處加以固定約束，進(jìn)行約束模態(tài)分析。

表1列出了高速壓力機(jī)在約束狀態(tài)下的前6階固有頻率及相應(yīng)的振型。

從上面的表格數(shù)據(jù)和振型圖中（圖2、3、4、5、6、7）可以看出:

（1）高速壓力機(jī)的1階固有頻率為54.41Hz，而機(jī)床的最高工作頻率為20Hz，高速壓力機(jī)主要部件和的整機(jī)固有頻率避開(kāi)了機(jī)床的工作頻率，不會(huì)發(fā)生共振。

（2）高速壓力機(jī)第2階振型都是沿y軸方向的彎曲，容易使滑塊的中心線(xiàn)和工作臺(tái)面不垂直，容易引起打擊中心左右錯(cuò)位，影響滑塊和模具的使用壽命和工件的加工精度。

表1 高速壓力機(jī)的固有頻率與振型

高速壓力機(jī)樣機(jī)振動(dòng)測(cè)試

高速壓力機(jī)工作過(guò)程中的沖擊激勵(lì)是一種瞬態(tài)激勵(lì)，是最常用的一種激勵(lì)方法，它尤其適應(yīng)于中小型和低阻尼結(jié)構(gòu)的激勵(lì)，其能量較大且容易控制。針對(duì)本課題試驗(yàn)研究對(duì)象，利用高速壓力機(jī)工作過(guò)程中沖擊激勵(lì)進(jìn)行激振試驗(yàn)，獲得各測(cè)量點(diǎn)上的響應(yīng)信號(hào)，通過(guò)傅氏變換得到橫梁的各階固有頻率。試驗(yàn)框圖如圖8所示，各測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)信號(hào)及頻譜見(jiàn)圖9、10、11、12。

圖2 第1階振型圖

圖3 第2階振型圖

圖4 第3階振型圖

圖5 第4階振型圖

圖6 第5階振型圖

圖7 第6階振型圖

測(cè)試過(guò)程中主要關(guān)心的是對(duì)機(jī)床角剛度和加工精度影響較大的Y與Z方向的振型，將傳感器布置在Y與Z方向。傳感器1位于機(jī)身正面，測(cè)試機(jī)床Z方向振動(dòng)頻率，傳感器2位于下模板中前部，傳感器3位于下模板中右部，測(cè)試機(jī)床Y方向振動(dòng)頻率，啟動(dòng)壓力機(jī)打擊模具，通過(guò)儀器采集數(shù)據(jù)。

圖8 試驗(yàn)框圖

圖9 傳感器布置示意圖

通過(guò)對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，得到整機(jī)的模態(tài)頻率。表2列出了整機(jī)的試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率和有限元模態(tài)分析的固有頻率。

比較試驗(yàn)和仿真結(jié)果，理論計(jì)算的固有頻率值與試驗(yàn)分析結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，誤差在5%之內(nèi)，表明理論分析結(jié)果基本上反映了高速壓力機(jī)的動(dòng)力特性，所建立的有限元模型能夠準(zhǔn)確地模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。

圖10 測(cè)點(diǎn)1加速度響應(yīng)信號(hào)與頻譜

圖11 測(cè)點(diǎn)2加速度響應(yīng)信號(hào)與頻譜

圖12 測(cè)點(diǎn)3加速度響應(yīng)信號(hào)與頻譜

表2 整機(jī)試驗(yàn)與有限元分析的模態(tài)頻率比較

研究結(jié)果

建立了高速壓力機(jī)的有限元模型，根據(jù)高速壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)壓力機(jī)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，定義螺栓結(jié)合部等效動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)其動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別；采用有限元法，運(yùn)用Simulation軟件計(jì)算高速壓力機(jī)的固有頻率以及相應(yīng)的振型，根據(jù)分析結(jié)果可知，高速壓力機(jī)主要部件和的整機(jī)固有頻率避開(kāi)了機(jī)床的工作頻率，第2階振型容易使得滑塊的中心線(xiàn)和工作臺(tái)面不垂直，容易引起打擊中心左右錯(cuò)位，影響滑塊和模具的使用壽命和工件的加工精度，可以作為下一步優(yōu)化的目標(biāo)；將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果相比較，誤差在10%之內(nèi)，驗(yàn)證了結(jié)合部建模的方法可行性，同時(shí)確認(rèn)高速壓力機(jī)建模的正確性。

結(jié)束語(yǔ)

用有限元和試驗(yàn)方法兩種方法分析高速壓力機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，結(jié)果有一定的差異，但是，它們相互補(bǔ)充、相得益彰的作用還是很明顯的。因此，只有把有限元計(jì)算和試驗(yàn)方法有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，得到的結(jié)果才會(huì)更加科學(xué)、合理、精確。