JD31-160壓力機(jī)機(jī)身動(dòng)態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭艷君，陳培麗

（山東英才學(xué)院，山東 濟(jì)南250104）

1 JD31-160壓力機(jī)機(jī)身動(dòng)態(tài)特性分析

（1）機(jī)身三維模型建立。首先在Solidworks 中建模，然后把模型格式另存為X_T 格式，導(dǎo)入Ansys。圖1 是導(dǎo)入后的Ansys 模型。

圖1 JD31-160壓力機(jī)機(jī)身三維模型

（2）施加材料特性。機(jī)身材料選用45 號(hào)鋼，材料結(jié)構(gòu)組織比較一致，沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，具有0.5%的含碳量，抗磨性能好，材料密度7.85g/cm3，波松比0.269，彈性模量210GPAa。

（3）確定分析類型。點(diǎn)擊Solution→Analysis→New Analysis，在New Analysis 菜單窗口中確定分析類型為Modal，單擊OK。

（4）施加邊界條件。將前底面的各4 個(gè)與地面接觸的底板都使用6 個(gè)自由度全部位移予以約束。

（5）選擇單元類型。選用Solid45 單元來(lái)劃分網(wǎng)絡(luò)，Solid45 單元定義了8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有三個(gè)移動(dòng)自由度。

（6）網(wǎng)絡(luò)劃分。采用自動(dòng)劃分網(wǎng)絡(luò)劃分模型,得到壓力機(jī)的有限元模型如圖2 所示。共生成16223節(jié)點(diǎn)，67920 單元。

圖2 JD31-160壓力機(jī)機(jī)身的網(wǎng)格劃分

（7）機(jī)身后處理。用Ansys 軟件處理有限元問(wèn)題時(shí)，建立有限元模型并求解后，并不能直觀地顯示求解結(jié)果，必須用后處理器才能顯示和輸出結(jié)果。Ansys 軟件的后處理過(guò)程包括兩個(gè)部分：通過(guò)后處理模塊POST1 和時(shí)間歷程后處理模塊POST26。通過(guò)友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)表兩種。

（8）查看模態(tài)變形圖，如圖3 所示。

第一階的振動(dòng)形態(tài)為：應(yīng)力分布主要集中在機(jī)身頂部，應(yīng)力從上到下逐漸減小，機(jī)身下部不動(dòng)，頂部沿x 方向左右搖擺。由于上半部分和下半部分的擺動(dòng)的幅度不同步，上邊幅度大而下邊幅度小，所以易引起打擊中心的左右錯(cuò)位，滑塊中心與工作臺(tái)面接觸不好，影響模具的使用壽命，加工工件質(zhì)量較差。固有頻率為35.857Hz。

第二階的振動(dòng)形態(tài)為：底部不受力，應(yīng)力分布比較均勻，頂部受到較多的應(yīng)力，機(jī)身沒(méi)有明顯的變形。固有頻率為50.547Hz。

第三階的振動(dòng)形態(tài)為：機(jī)身頂部的兩側(cè)受力較為明顯，頂部繞著z 軸方向前后扭動(dòng)。使機(jī)身頂部的軸容易斷裂。固有頻率為82.704Hz。

圖3 模態(tài)振型圖

第四階的振動(dòng)形態(tài)為：機(jī)身前部?jī)啥耸艿綉?yīng)力作用，所以機(jī)身前后擺動(dòng)。固有頻率增加較快。固有頻率為183.033Hz。

2 JD31-160壓力機(jī)機(jī)身優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)身優(yōu)化意見(jiàn)

壓力機(jī)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的目的是使其固有頻率盡量避開(kāi)其激振頻率，為此有以下兩點(diǎn)優(yōu)化意見(jiàn)：①壓力機(jī)床身的彈性模態(tài)頻率應(yīng)避開(kāi)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作頻率；②壓力機(jī)機(jī)身的低階固有頻率應(yīng)避開(kāi)壓力機(jī)的工作頻率。

從該壓力機(jī)機(jī)身前十階的振型圖可以看出，由于機(jī)身頂部受到的應(yīng)力較為集中，該部分的振動(dòng)較大，從能量的角度來(lái)看該部分的局部結(jié)構(gòu)動(dòng)能比較明顯，是需要加強(qiáng)的地方，所以為了改善機(jī)身性能，在該機(jī)身底部左右兩邊各加了兩塊筋板。

根據(jù)該壓力機(jī)參數(shù)可知其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為130～1400min-1，因此電動(dòng)機(jī)的工作頻率為2.2Hz～23.3Hz，壓力機(jī)滑塊行程次數(shù)為40min-1，故壓力機(jī)的工作頻率為0.67Hz，實(shí)際工作中壓力機(jī)機(jī)身的各階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其工作頻率，因此對(duì)于JD31-160壓力機(jī)機(jī)身的動(dòng)態(tài)特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)就是進(jìn)一步增加其固有頻率.使其進(jìn)一步遠(yuǎn)離壓力機(jī)的工作頻率，避開(kāi)電動(dòng)機(jī)經(jīng)常工作的頻率。

2.2 優(yōu)化后的模態(tài)振型圖（圖4）

2.3 優(yōu)化前后固有頻率對(duì)比（表1）

從表1 可以看出，JD31-16O 壓力機(jī)機(jī)身優(yōu)化后各階段的固有頻率有所提升，說(shuō)明優(yōu)化后各階段的固有頻率進(jìn)一步遠(yuǎn)離了機(jī)身激振頻率，本次優(yōu)化比較成功。

圖4 優(yōu)化后模態(tài)振型圖

表1 優(yōu)化前后固有頻率對(duì)比表

3 小結(jié)

通過(guò)Solidworks 建立了JD31-160 閉式壓力機(jī)機(jī)身的三維模型，再運(yùn)用Ansys 有限元分析軟件對(duì)機(jī)身模型進(jìn)行模態(tài)分析，得出壓力機(jī)機(jī)身的固有頻率和固有振型。從中找出機(jī)身上的薄弱環(huán)節(jié)，并對(duì)薄弱部分進(jìn)行優(yōu)化，使其固有頻率盡量遠(yuǎn)離其工作頻率，避免共振發(fā)生。

[1]孫友松,李明亮,魏 航.螺旋壓力機(jī)發(fā)展綜述[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2005，40（2）：18-21.

[2]高興軍,趙恒華.大型通用有限元分析軟件Ansys 簡(jiǎn)介[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,（3）：94-98.

[3]梁 君,趙登峰.工作模態(tài)分析理論研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].電子機(jī)械工程,2006,（6）：7-8+32.

[4]周喜格,李凌均,王 昆.基于Ansys 的汽車水泵齒形輪有限元模態(tài)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,（9）：50-51.

[5]張祖芳.開(kāi)式壓力機(jī)機(jī)身的有限元分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].東南大學(xué),2004.