髖關節(jié)試驗機模態(tài)分析

摘要：本文在ANSYS有限元分析環(huán)境下，對髖關節(jié)試驗機的振動特性進行研究，分析其固有頻率和振型。并根據(jù)模態(tài)分析的結果，給出試驗機結構設計、安裝和運行時的建議，保障了設備的剛度和穩(wěn)定性。

關鍵詞：振型;模態(tài)分析;固有頻率

固有頻率和主振型是振動系統(tǒng)的自然屬性。為了使系統(tǒng)在工作中避開固有頻率同時減小系統(tǒng)的激勵，以達到消除噪音和過度振動的目的，在設計過程中，往往要對系統(tǒng)進行模態(tài)分析。[1]本文運用模態(tài)分析理論，采用有限元方法對髖關節(jié)試驗機的振動特性進行研究，分析其固有頻率和振型。

1機構描述

本論文所研究的髖關節(jié)試驗機[2]（圖1）由動平臺、底板和四根支架組成。支架分別為外圍的3根SPS支鏈及中間一根PS支鏈。

2模態(tài)分析

利用Solidworks建立試驗機的實體模型，[3]并在Ansys中進行網(wǎng)格劃分，使用面約束對底板底面進行約束施加零位移約束。

（1）將頻率范圍取為1～10000Hz。選用BlockLanczos方法進行求解。

（2）本試驗機屬于空間多自由度機構，因此，對其在初干擾下的自由振動的研究，主要圍繞低階振型展開。[4]為了提高效率，在此計算前6階陣型。

（3）使用SOLVE求解器進行求解，得到結果（如下表）及陣型圖（圖2）。分析結果中陣型的大小不是系統(tǒng)在固有頻率下的實際振動數(shù)值，而是振動量值的相對比值，僅代表了此固有頻率下系統(tǒng)振動的傳遞情況。

3結果分析

（1）由圖2可看出，第一階和第二階固有頻率下，系統(tǒng)具有相似的振型。第一階時，試驗機僅沿著y方向擺動;第二階時，試驗機僅沿著x方向擺動;第三階時，系統(tǒng)整體繞著z軸轉動。在第四階固有頻率下，試驗機外圍的三根支架中有兩根大幅度扭轉，另一支架扭轉幅度較小。第四、五、六階固有頻率下，系統(tǒng)具有相似的振型。

（2）由振型圖可知，試驗機的上支撐板和支架容易發(fā)生劇烈振動。考慮到這兩個部位在整個試驗機中相對較薄弱，在設計時，應對其做適當處理。如：選擇高性能材料制作上支撐板和支架、加大這兩個元件的厚度或者增加加強筋等。

（3）通過模態(tài)分析結果可知，試驗機的振動形式主要為扭轉和擺動。因此在工作過程中，應保證試驗機具有足夠的支撐穩(wěn)定性，如增設平衡系統(tǒng)來防止試驗機球鉸鏈和動平臺連接處的運動造成的設備扭轉現(xiàn)象。從而防止機構出現(xiàn)運動不靈活或無法到達預設的運動空間等現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]劉金龍人工髖關節(jié)并聯(lián)仿生試驗機研究[D].中國礦業(yè)大學，2011.

[2]湯萍，程剛，顧偉，徐鵬.3SPS+1PS并聯(lián)仿生試驗機誤差建模與仿真[J].機械傳動，2012，36（07）：38-42.

[3]詹迪維.SolidWorks產品設計實例精解[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[4]張朝暉.ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.