董學(xué)武， 楊艷艷， 張　曦， 王彥婷

(1.中原工學(xué)院; 2.紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 鄭州 450007)

高速卷繞頭套筒的模態(tài)分析

董學(xué)武1,2， 楊艷艷1,2， 張曦1,2， 王彥婷1,2

(1.中原工學(xué)院; 2.紡織服裝產(chǎn)業(yè)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 鄭州 450007)

摘要：針對高速卷繞頭在實際工作運轉(zhuǎn)中容易引發(fā)振動與噪聲問題，本文利用SolidWroks 建立高速卷繞頭套筒的實體模型，通過SolidWroks與ANSYS的接口將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進行套筒的模態(tài)分析，得到高速卷繞頭套筒的模態(tài)頻率與模態(tài)振型。利用錘擊法對套筒進行振動模態(tài)測試，對比模態(tài)試驗與有限元模態(tài)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其誤差為3%。這驗證了套筒有限元分析模型的正確性，為進一步研究高速卷繞頭振動、噪聲等問題奠定了基礎(chǔ)，也為改進結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：高速卷繞頭； 套筒； 模態(tài)頻率； 模態(tài)振型

在化纖長絲紡絲設(shè)備中，高速卷繞頭是最關(guān)鍵的單元機，直接影響著高速紡絲技術(shù)的發(fā)展[1-2]。其旋轉(zhuǎn)精度的高低直接影響到絲餅質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)速度直接影響到絲餅的生產(chǎn)效率。隨著紡織行業(yè)的技術(shù)進步，高速卷繞頭不斷向高轉(zhuǎn)速、大卷裝方向發(fā)展，引發(fā)了振動和噪聲問題。套筒是高速卷繞頭的一個關(guān)鍵部件，對其結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，可以為進一步研究高速卷繞頭振動、噪聲等問題奠定基礎(chǔ)，為改進結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1模態(tài)分析的相關(guān)特性

模態(tài)分析是以振動理論為基礎(chǔ)，以模態(tài)參數(shù)為目標，研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法。它需要將線性定常系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標變換為模態(tài)坐標，使方程組解耦，成為一組以模態(tài)坐標及模態(tài)參數(shù)描述的獨立方程，便于求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。

根據(jù)模態(tài)分析手段和方法的不同，可將模態(tài)分析分為理論模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析。理論模態(tài)分析或稱模態(tài)分析的理論過程，主要指以線性振動理論、有限元理論及方法為基礎(chǔ)，以計算機及工程分析軟件(CAE)為手段，以建立研究對象物理參數(shù)及求解其動態(tài)特性為目標，研究激勵、系統(tǒng)、響應(yīng)之間關(guān)系的模態(tài)分析。實驗?zāi)B(tài)分析又稱模態(tài)分析的實驗過程，是綜合應(yīng)用線性振動理論、動態(tài)測試技術(shù)、數(shù)字信號分析處理及系統(tǒng)辨識等理論、方法和手段，以建立研究對象模態(tài)參數(shù)模型及求解其動態(tài)特性為目標，進行系統(tǒng)識別的模態(tài)分析，它是理論模態(tài)分析的逆過程[3-4]。

由于有限元理論建模及分析方法對結(jié)構(gòu)、結(jié)合部連接條件及其等效動力學(xué)參數(shù)、阻尼假設(shè)、邊界條件的簡化，以及近似計算等帶來的誤差，影響所建有限元模型的模擬精度，也就影響了動態(tài)特性的模擬精度，因而難以與實際結(jié)構(gòu)完全吻合。而實驗?zāi)B(tài)分析是對研究對象的實際結(jié)構(gòu)進行動態(tài)試驗，以得到激勵和響應(yīng)信息來識別其模型參數(shù)，實驗?zāi)Ｐ团c實際結(jié)構(gòu)有較高精度的吻合。因此，將有限元理論模態(tài)分析的正過程與實驗?zāi)B(tài)分析的逆過程進行有機結(jié)合，可求得系統(tǒng)最優(yōu)的模型及動態(tài)特性。

高速卷繞頭套筒可看作一個具有粘性比例阻尼的n自由度線性定常系統(tǒng)，其振動微分方程為：

(1)

自由振動時，F(xiàn)(t)= 0，即

Mx(t)+Cx(t)+Kx(t)=0

(2)

設(shè)特解

x(t)=φeλ t

(3)

將式(3)代入式(2)，得

(λ2M+λC+K)φ= 0

(4)

特征方程為

|λ2M+λC+K|=0

(5)

對于實驗?zāi)B(tài)分析，通過采集系統(tǒng)激勵和響應(yīng)的時間歷程，可估計出系統(tǒng)的頻響函數(shù)H(ω)或脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)，從而求得系統(tǒng)的非參數(shù)模型；運用適當?shù)念l域或時域模態(tài)參數(shù)識別方法，可求解系統(tǒng)的固有頻率、固有振型和模態(tài)阻尼等模態(tài)參數(shù)。

2高速卷繞頭套筒的有限元模態(tài)分析

2.1模型的建立

利用SolidWroks可建立套筒幾何模型(見圖1)。ANSYSWorkbench支持第三方數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)入功能，如ACIS(SAT) 、IGS/IGES等。另一種快速簡潔的辦法就是利用SolidWroks與ANSYS間的接口直接將模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中。

模型導(dǎo)入有限元分析軟件之后，進行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置以及網(wǎng)格劃分。其中彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3 ，材料密度為7 850kg/m3，網(wǎng)格劃分單元尺寸為10mm。采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的有限元模型如圖2，共有125 061個節(jié)點，71 066個單元。套筒的有限元模型重量為45.014kg，實際為46.600kg，相差1.586kg，誤差為3.403% 。

圖1　套筒幾何模型

圖2　套筒有限元模型

2.2有限元模態(tài)分析結(jié)果

利用ANSYSWorkbench軟件，對高速卷繞頭的套筒進行自由狀態(tài)下的模態(tài)分析，分析結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯觯淄驳那傲A模態(tài)頻率為零，它們分別是三個方向的平動與轉(zhuǎn)動，為套筒的剛體模態(tài)。一至三階模態(tài)振型如圖4所示。

圖3　高速卷繞頭的套筒模態(tài)頻率

(a) 一階模態(tài)振型

(b) 二階模態(tài)振型

(c) 三階模態(tài)振型

3高速卷繞頭套筒的實驗?zāi)B(tài)分析

建立在FFT基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)特性脈沖激勵法又稱為錘擊法,設(shè)備簡單，實驗快捷方便[5-6]。錘頭材料通常有鋼質(zhì)頭、塑料尼龍頭、橡膠頭等[7]。根據(jù)高速卷繞頭套筒的特點，本文采用鋼質(zhì)錘頭進行激勵。

按照Maxwell互逆性原理，在18點激勵，依次移動加速度傳感器，測量各個點的響應(yīng)，即可得到系統(tǒng)的頻響函數(shù)矩陣。共有測點144個，測點分布圖如圖5所示。

圖5　測點分布

實驗設(shè)備采用美國DP公司信號分析系統(tǒng)及法國N-Modal模態(tài)分析系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6　實驗系統(tǒng)組成

將高速卷繞頭套筒支撐在海綿上，連接好實驗設(shè)備，并進行參數(shù)設(shè)置，分析頻率為1 600Hz，譜線數(shù)6 400，設(shè)置控制方式為線性平均，力信號加力窗，響應(yīng)信號加指數(shù)窗，采樣時間4s。每個測點測量3次，取平均值獲得測點的頻響函數(shù)，以保證測試精度。在頻響函數(shù)測量中，要觀察力脈沖信號和加速度響應(yīng)信號的質(zhì)量，并使相干函數(shù)值不小于0.8。本實驗第125、126點一通道與二通道的相干曲線、力譜、頻響函數(shù)、激勵信號和加窗后的時域信號如圖7所示。對各測點的頻響函數(shù)進行總體平均，然后通過參數(shù)識別求出系統(tǒng)的固有頻率和振型，如圖8所示。

圖7　相干曲線、力譜、頻響函數(shù)、激勵信號和加窗后的時域信號

4有限元模態(tài)分析與實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果

有限元模態(tài)分析與實驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果如表1所示。顯然，采用兩種方法得到的固有頻率及模態(tài)振型是基本一致的，誤差均在3%內(nèi)。這說明所建有限元模型具有較高的精度。

5結(jié)語

利用SolidWroks建立套筒的實體模型，將其精確地導(dǎo)入ANSYSWorkbench中，大大縮短了ANSYS建模的時間，提高了分析的工作效率。將ANSYSWorkbench有限元模態(tài)分析和實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)有機地結(jié)合

(a) 一階模態(tài)振型

(b) 二階模態(tài)振型

(c) 三階模態(tài)振型圖8　高速卷繞頭套筒的實驗?zāi)B(tài)振型

階數(shù)有限元模態(tài)頻率值/Hz實驗?zāi)B(tài)頻率值/Hz振型特征誤差/%1278.52284.81一階整體彎2.202616.38631.18二階整體彎2.3431079.21109.87三階整體彎2.76

起來，可以很好地對實驗分析的結(jié)果進行對比、修正、補充。兩者取長補短，相得益彰。

利用有限元對套筒進行模態(tài)分析，為進一步研究高速卷繞頭振動、噪聲等問題，以及改進套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]李素敏．國內(nèi)外化纖設(shè)備中高速卷繞頭的發(fā)展現(xiàn)狀[J]．紡織導(dǎo)報， 2009， 27(12)： 45-48.

[2]孔越，孫翠蓮，張林鍹，等. 基于模態(tài)分析的高速卷繞頭槽筒結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2009， 21(21): 6883-6885.

[3]廖伯瑜，周新民，尹志宏．現(xiàn)代機械動力學(xué)及其工程應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社， 2004： 168-169.

[4]曹樹謙，張文德，蕭龍翔．振動結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[M]．天津：天津大學(xué)出版社， 2001: 52-54.

[5]李勛，張東明，趙開寧. 錘擊法在航空發(fā)動機部件模態(tài)實驗中常見問題淺析[J]. 航空發(fā)動機， 2010， 36(5): 46- 50.

[6]王波.應(yīng)用錘擊法的一些基本技巧[J]. 振動、測試與診斷， 1991， 11(3): 30- 38.

[7]劉萬峰，張維鋒. 一種快速方便的試驗?zāi)B(tài)分析方法—錘擊法[J]. 西安公路學(xué)院學(xué)報， 1993， 13(4): 80- 85.

(責任編輯：王長通)

Modal Analysis for High-speed Winder Sleeve

DONG Xue-wu ， YANG Yan-yan ， ZHANG Xi， WANG Yan-ting

(Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007,China)

Abstract:To solve the vibration and noises problems aroused by the high speed winder head when it working， in this paper the solid model of the high speed winding head sleeve is built. Then import the model into ANSYS Workbench though the connector of SolidWroks and ANSYS to carry on modal analysis on the sleeve. After the modal analysis, experimenters can get the modal frequency and modal shape of high speed winding head sleeve. Experimenters test the sleeve with the hammering method, then compared the result with that of the finite element modal analysis and found the error is only 3%, which verifies the validity of the modal analysis result of the finite element for the sleeve. This test not only has laid a solid foundation for the further research of vibration and noise problems of the high speed winding head, but also has provided a reference for improving the structure design.

Key words:high-speed winder ;sleeve; modal frequency; modal shape.

文章編號：1671-6906(2015)01-0026-05

作者簡介：李偉鋒(1963-)，男，河南許昌人，教授，研究方向為電力電子技術(shù)。

收稿日期：2014-05-07

中圖分類號：TH113.1

文獻標志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.006