林森海，張文輝，陳榮昌，江　潔，葉曉平

(1.浙江斯凱瑞機器人股份有限公司，浙江 麗水 323000；2.麗水學院 工程與設計學院，浙江 麗水 323000)

基于ANSYS的高速旋轉(zhuǎn)圓盤預應力與模態(tài)分析

林森海1，張文輝2，陳榮昌1，江潔2，葉曉平2

(1.浙江斯凱瑞機器人股份有限公司，浙江 麗水 323000；2.麗水學院 工程與設計學院，浙江 麗水 323000)

摘要：高速旋轉(zhuǎn)圓盤是旋轉(zhuǎn)機械裝置的基本構件，在自動化裝備中應用廣泛。筆者對高速旋轉(zhuǎn)圓盤進行了預應力分析，結果表明圓盤在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下力學特性表現(xiàn)出顯著的非線性特性，與低速和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，呈現(xiàn)迥異的力學性能。特別是中心空孔處會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，極易引起劇振進而斷裂失效。鑒于此，文中進一步對高速旋轉(zhuǎn)圓盤進行了模態(tài)分析，通過振型分析獲得適合的工作頻率，避免共振影響。

關鍵詞：高速旋轉(zhuǎn)圓盤；有限元；預應力分析；模態(tài)分析

圓盤是旋轉(zhuǎn)機械裝置中最典型的基本結構元件，廣泛應用于各類自動化及機電設備中[1]。當內(nèi)部充滿液體的圓盤在轉(zhuǎn)軸帶動下同步高速旋轉(zhuǎn)時，會表現(xiàn)出與圓盤在非旋轉(zhuǎn)或低速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下迥異的流體力學性能[2-3]。高速旋轉(zhuǎn)薄片刀具通常指鋸片式銑刀、砂輪片和鋸片,它們在硅材料、復合材料和木材等加工中具有重要作用。由于被加工材料的貴重性和加工質(zhì)量的要求, 要求旋轉(zhuǎn)加工刀具的厚度越來越薄, 旋轉(zhuǎn)速度也越來越高。

ANSYS軟件是當前國際上通用的大型有限元分析軟件，在工業(yè)、化工、航空航天、電子能源、土木建筑等各個行業(yè)領域應用廣泛。ANSYS功能強大，仿真精度高，目前已成為國際最流行的有限元分析軟件，在歷年的有限元分析評比中都名列第一[4-6]。

本文基于ANSYS軟件對高速旋轉(zhuǎn)圓盤進行了預應力分析，結果表明圓盤在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下力學特性表現(xiàn)出強烈的非線性特性，與低速和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，呈現(xiàn)迥異的力學性能，特別是中心空孔處會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，極易引起劇振導致斷裂失效。鑒于此，文中進一步對高速旋轉(zhuǎn)圓盤進行了模態(tài)分析，通過振型分析獲得適合的工作頻率，避免共振影響。

1高速旋轉(zhuǎn)圓盤有限元模型建立

高速旋轉(zhuǎn)圓盤的軸孔處完全約束，定義材料及尺寸參數(shù)如下：

①性模量為2.07e11 N/m2；

②泊松比為0.3，密度7 800 kg/m3；

③旋轉(zhuǎn)速度115 rad/s；

④圓盤φ525 mm，中孔φ55，厚0.03 mm。

采用國際通用大型有限元分析軟件ANSYS進行研究，具體步驟為[7-9]：

1)定義建模類型。分析類型定義為結構建模，即Structure選項。

2)選擇建模類型。在有限元分析類型Element Type中選擇“殼”類型。

3)定義材料屬性。定義Structure、Linear、Elastic、Isotropic。輸入彈性模量2.07e11，泊松比0.3，材料密度7 800 kg/m3。

4)建立幾何圖形。完成布爾減運算后，模型建立如圖1所示。

圖1　圓盤參數(shù)化建模

5) 劃分網(wǎng)格模型。利用ANSYS的Mesh Tool命令進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2　圓盤有限元模型建模

2高速旋轉(zhuǎn)圓盤預應力分析

對有限元模型進行預應力求解分析，具體步驟為：1)首先對其定義力學分析類型為Static分析；2)施加約束與載荷位于圓盤中孔處；3)進而選擇求解器Solution Controls求解。求解后的應力云圖和應變云圖分別如圖3和圖4所示。

圖3　高速圓盤應變云圖

圖4　高速圓盤應力云圖

3高速旋轉(zhuǎn)圓盤模態(tài)分析

對高速旋轉(zhuǎn)圓盤進行模態(tài)分析，具體步驟為：

選擇Model Analysis命令進行分析，選擇Solution解算器進行結算，得到高速旋轉(zhuǎn)圓盤前三階模態(tài)的應變?nèi)鐖D5所示。

a)一階模態(tài)應變圖

b)二階模態(tài)應變圖

c)三階模態(tài)應變圖

由圖5可以看出，固有頻率不同，應變值不同，且隨著固有頻率增大，應變出現(xiàn)遞增趨勢。當頻率達到257 Hz時，此時應變最大，達到0.215。

利用ANSYS的模態(tài)解算器進行結算，獲得高速旋轉(zhuǎn)圓盤前三階模態(tài)的振型如圖6所示。

a)一階模態(tài)振型圖

b)二階模態(tài)振型圖

c)三階模態(tài)振型圖

振型是指結構體系的一種固有的特性。它與固有頻率相對應，為所對應的固有頻率體系的自身振動的形態(tài)，每一階固有頻率都對應一種振型。由圖6可以看出，隨著頻率增大，其振動形態(tài)變化呈現(xiàn)激烈趨勢。

4結論

高速旋轉(zhuǎn)圓盤是旋轉(zhuǎn)機械裝置的基本構件，在各類自動化及機電裝備中應用廣泛。本文對高速旋轉(zhuǎn)圓盤進行了預應力分析，結果表明圓盤在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下力學特性表現(xiàn)出強烈的非線性特性，與低速和非旋轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，呈現(xiàn)迥異的力學性能。特別是中心空孔處會出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，極易引起劇振進而斷裂失效。鑒于此，文中進一步對高速旋轉(zhuǎn)圓盤進行了模態(tài)分析，通過振型分析獲得適合的工作頻率，避免共振影響。

[參考文獻]

[1]李慶華,譚慶昌,裴永臣,等.高速旋轉(zhuǎn)圓盤刀具薄刀片橫向振動的有限元分析[J].吉林大學學報,2007,37(4):814-820.

[2]嚴海綱,黃泊戩,梅雪峰.采煤機搖臂殼體有限元分析[J].煤礦機械，2011,3(10):45-50.

[3]李俊妮，栗秀萍，劉有智，等.基于Fluent 的高速旋轉(zhuǎn)圓盤表面流場的數(shù)值模擬[J].機械設計與制造,2013,2(2):6-10.

[4]寧景鋒，賀西平，李娜.縱振激勵頻率對圓盤彎曲振動特性的影響[J].振動與沖擊, 2011,30(4):100-105.

[5]Wang H F,Jia K K,Guo Z P.Random vibration analysis for the chassis frame of hydraulic truck based on ANSYS[J].Journal of Chemical and Pharmaceutical Research,2014,6(3):53-55.

[6]楊宏亮，彭巖.液壓缸承受徑向載荷的非線性有限元分析[J].機械設計與制造,2008(6):23-26.

[7]高勇.基于ANSYS的篩煤機振動軸模態(tài)計算[J].煤礦機械，2014，12(1):10-11.

[8]林榮川，郭隱彪，魏莎莎，等.液壓缸臨界載荷計算和最優(yōu)設計[J].中國機械工程，2011，22(9):125-128.

[9]紀愛敏,張培強,彭鐸,等.起重機伸縮吊臂局部穩(wěn)定性的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2004,35(6):48-51.

(責任編輯：張凱兵)

收稿日期：2016-03-03

基金項目：國家科技支撐計劃項(2013BAC16B02)

作者簡介：林森海(1967-)，男，浙江青田人，浙江斯凱瑞機器人股份有限公司高級工程師，博士。

中圖分類號：TD421

文獻標志碼：A

文章編號：2095-4824(2016)03-0084-03

張文輝(1980-)，男，河南正陽人，麗水學院工程與設計學院副教授，博士。